close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

827.Роторные рабочие органы лесохозяйственных Концепция конструирования Монография

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Министерство образования Российской Федерации
СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
УДК 631.3.001
КОРШУН Виктор Николаевич
РОТОРНЫЕ РАБОЧИЕ ОРГАНЫ
ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН:
КОНЦЕПЦИЯ КОНСТРУИРОВАНИЯ
Красноярск 2002
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2
УДК 631.3.001
Коршун В.Н. Роторные рабочие органы лесохозяйственных: Концепция конструирования. – Красноярск: СибГТУ, 2002. – 228 с
В монографии приводится анализ конструкций и параметров
роторных рабочих органов лесохозяйственных и полевых машин, на
основании которого, с использованием системного подхода, разработана концепция конструирования. Приводятся результаты функционального анализа, дается классификация рабочих органов по технологическому способу взаимодействия с предметом труда. Получен алгоритм поиска конструктивных решений. Предложены основные принципы конструирования.
Рекомендуется конструкторам лесных и сельскохозяйственных машин.
Табл. 43. Ил. 66. Прил. 9. Библиограф. 140 назв.
Рецензенты: д-р техн. наук, проф. Н.М. Антонов
(Красноярский аграрный университет);
Korshun V.N. Rotary powers of forestry and machines:
The concept of designing. - Krasnoyarsk: SibSTU, 2002. - 228 p.
In the monograph the analysis of designs and parameters rotary
power of forestry and logging machines is resulted, on the basis of which
with use of system methods the concept of designing is developed. The results of the functional analysis are resulted, on the basis of which the classification of by a technological way of interaction with a subject of work is
offered. The algorithm of search of the constructive decisions is received.
The basic principles of designing rotary power of forestry machines are
given.
It is recommended to the designers and constructers of forestry,
logging, farm and agricultural machines
Tables. 43. Illustrations 66. Applications 9. Bibliography 140.
Referees: Prof. A.M. Antonov (Krasnoyarsk Agricultural
University);
© В.Н. Коршун, 2002
© Сибирский государственный
технологический университет, 2002
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3
Содержание
Введение .................................................................................................................. 5
1 Анализ конструктивных особенностей и свойств роторных рабочих
органов .................................................................................................................. 10
1.1 Анализ конструкций рабочих органов машин для обработки почвы .........................10
1.1.1 Рабочие органы машин для сплошной обработки почвы ......................................10
1.1.2 Рабочие органы машин для междурядной обработки почвы ...............................27
1.2 Анализ конструкций рабочих органов машин ..............................................................34
для ухода за лесом...............................................................................................................34
1.3 Анализ конструкций рабочих органов для измельчения стебельчато - волокнистых
материалов и древесины.........................................................................................................43
1.3.1 Анализ конструкций рабочих органов барабанного типа......................................44
1.3.2 Анализ конструкций рабочих органов роторного типа..........................................46
1.3.3 Анализ конструкций рабочих органов для измельчения .......................................51
1.3.4 Анализ конструкций рабочих органов для ..............................................................53
1.4 Анализ конструкций роторных рабочих органов ударно-измельчающего действия
...................................................................................................................................................56
1.4.1 Анализ конструкций рабочих органов измельчающих приставок.......................57
1.4.2 Анализ конструкций рабочих органов молотковых дробилок ..............................59
1.4.3 Анализ конструктивных особенностей рабочих органов газонокосилок...........69
1.5 Обзор конструктивных особенностей роторных рабочих органов, разработанных
кафедрой ПЛО СибГТУ..........................................................................................................74
2 Параметрический анализ роторных рабочих органов
лесохозяйственных машин................................................................................ 85
2.1 Параметры проектирования .............................................................................................86
2.2 Анализ параметров рабочих органов режущего типа ...................................................88
2.2.1 Обоснование силы резания почвы ножами .............................................................89
2.2.2 Обоснование мощности............................................................................................90
2.3 Расчет вертикальной фрезы..............................................................................................93
2.3.1 Обоснование ширины захвата рабочего органа ......................................................94
2.3.2 Обоснование конструктивных параметров..............................................................94
2.3.3 Конструирование и расчет ........................................................................................95
2.4 Анализ параметров режущих рабочих органов барабанного типа ............................99
2.5 Обоснование параметров дисковых измельчающих рабочих органов .....................101
2.6 Обоснование параметров рабочих органов измельчителей ударного действия.....102
3 Разработка концепции конструирования роторных рабочих органов
............................................................................................................................... 109
3.1 Общие основы разработки концепции конструирования роторных рабочих органов
лесохозяйственных машин ...................................................................................................109
3.1.1 Учет требований лесного хозяйства при
конструировании машин
.............................................................................................................................................110
3.2 Основные принципы разработки концепции ...............................................................111
конструирования роторных рабочих органов ..................................................................111
3.3 Постановка задачи...........................................................................................................121
3.4 Функциональный анализ ................................................................................................125
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4
3.4.1 Общая классификация лесохозяйственных машин по функциям, выполняемым
рабочими органами ...........................................................................................................125
3.4.2 Морфологический анализ функций, выполняемых роторными рабочими
органами.............................................................................................................................128
3.4.3 Результаты функционального анализа...................................................................135
4 Разработка топологии конструирования роторных рабочих органов
лесохозяйственных машин.............................................................................. 142
4.1 Классификация роторных рабочих органов по технологическому способу...........142
4.2 Составление графа конструктивных решений .............................................................152
4.3 Разработка алгоритма поиска конструктивных решений ...........................................168
5 Основные принципы конструирования лесохозяйственных машин на
современном этапе ............................................................................................ 172
5.1 Конструирование с позиций системности машин .......................................................173
5.2 Принцип стандартизации ...............................................................................................175
5.3 Конструирование с позиций технологии изготовления ..............................................177
5.4 Облегчение конструкций и снижение расхода материалов ........................................179
5.4.1 Выбор рационального физико-технического принципа работы .......................180
5.4.2 Обеспечение минимальных габаритов...................................................................181
5.4.3 Выбор статических несущих конструкций............................................................181
5.4.4 Совмещение функций элементов конструкции ....................................................184
5.5 Выбор оптимальных форм поперечных сечений на основе найденных напряжений
.................................................................................................................................................188
5.6 Выбор материалов...........................................................................................................192
5.6.1 Несущие конструкции .............................................................................................194
5.6.2 Кожухи ......................................................................................................................197
5.6.3 Валы...........................................................................................................................199
5.6.4 Измельчающие элементы ........................................................................................200
5.6.5 Подшипники .............................................................................................................202
5.6.6. Виброизоляторы ......................................................................................................205
5.7 Повышение износостойкости.........................................................................................206
5.8 Защита от коррозии.........................................................................................................209
Библиографический указатель........................................................................... 212
ПРИЛОЖЕНИЕ А ............................................................................................... 219
ПРИЛОЖЕНИЕ Б................................................................................................ 221
ПРИЛОЖЕНИЕ В ............................................................................................... 222
ПРИЛОЖЕНИЕ Г................................................................................................ 222
ПРИЛОЖЕНИЕ Д ............................................................................................... 223
ПРИЛОЖЕНИЕ Е................................................................................................ 223
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж .............................................................................................. 223
ПРИЛОЖЕНИЕ З ................................................................................................ 224
ПРИЛОЖЕНИЕ И ............................................................................................... 224
ПРИЛОЖЕНИЕ К ............................................................................................... 226
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5
Введение
Роторные рабочие органы лесохозяйственных и полевых машин изменяют физико-механические и технологические свойства предмета труда и
по общей классификации относятся к рабочим органам технологических машин. Основы теории, расчета, проектирования, классификации роторных рабочих органов, их преимущества перед пассивными рабочими органами были
заложены В.П. Горячкиным. В настоящее время данные устройства широко
применяются в сельскохозяйственных машинах для растениеводства, кормопроизводства, чаеводства, животноводства, в машинах и оборудовании для
озеленения населенных мест, в строительстве, в лесных, мелиоративных и
коммунальных машинах, в машинах для пищевых производств и т.п.
Требования, предъявляемые к проектным параметрам роторов, обуславливаются агротехническими, лесоводственными, зоотехническими и
другими требованиями, предъявляемыми к самому предмету труда, которые
довольно жестко регламентируются стандартами. Процесс взаимодействия
рабочих органов с предметом труда характеризуется большими затратами
энергии. Так, в технологическом процессе возделывания большинства сельскохозяйственных культур, по энергетическим затратам, вспашка является
наиболее энергоемкой операцией [1, c. 71]. По некоторым данным, на измельчение одной тонны стеблесоломистых кормов расходуется 1 – 7 кВт⋅ч, а
зернофуража – 2 – 17 кВт⋅ч электроэнергии, что составляет около 30% от
общих затрат энергии на заготовку и приготовление кормов.
Главным отличительным признаком всех роторных рабочих органов
является их активное вращение при взаимодействии с предметом труда. Роторные рабочие органы изменяют свойства предмета труда и разделяют его
на части методами резания, дробления, рубки, истирания, крошения и т.п.
Способ технологического воздействия на предмет труда зависит от сочетания
в нем упругих, вязких и пластических свойств. Под воздействием рабочего
органа материал деформируется и разделяется на части, т.е. измельчается.
Для измельчения материалов с повышенной жесткостью применяют дробление, а для легкодеформируемых материалов, как правило, используют резание [2].
Выбранный способ технологического воздействия на предмет труда
обуславливает конструктивные особенности рабочих органов, его параметры
и режимы функционирования. Основными задачами проектирования роторных рабочих органов является не столько оптимизация их конструктивных
параметров, сколько обеспечение минимальной энергоемкости измельчения
при ограничениях на качество измельченного материала.
Анализ литературных источников показывает, что рабочие органы с
измельчающими элементами режущего типа имеют относительно низкую
энергоемкость при удовлетворительном качестве измельчения [3,4,5,6]. Однако надежность таких рабочих органов при их использовании в лесохозяй-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6
ственных машинах для измельчения материалов, изобилующих древовидными включениями, существенно снижается, а затраты на техническое обслуживание и ремонт – увеличиваются. Аналогичные рабочие органы нашли
широкое распространение в мобильных машинах для обработки почвы, пней
и кустарников. Скорости взаимодействия таких рабочих органов с предметом
труда не велики и не превышают 10 м/с. Анализ их конструкций приведен в
разделе 1.1. Рабочие органы, анализ которых приводится в данном разделе,
взаимодействуют с предметом труда, который, обычно неподвижен, а подача
осуществляется перемещением самого рабочего органа.
Рабочие органы машин для ухода за лесом, анализ конструкций которых приведен в разделе 1.2, взаимодействуют с почвой, изобилующей древовидными включениями, порубочными остатками и покрытые подстилкой и
дерниной.
В разделе 1.3 дается анализ конструкций рабочих органов режущераскалывающего-рубящего типа, применяемых в машинах для измельчения
стебельчато-волокнистых материалов и древесины. Такие рабочие органы
имеют барабан или диск с режущими ножами и противорежущими элементами. Измельчение подаваемого в измельчитель предмета труда осуществляется резанием пуансоном. Рабочие органы такого типа широко используются
в машинах для измельчения кормов. В лесном хозяйстве они применяются
для измельчения древесной зелени, лесосечных отходов, кустарника и древесины. Данные рабочие органы измельчают предмет труда со скоростью от 10
до 40 м/с и с высоким коэффициентом однородности, однако, предъявляют
повышенные технические требования к остроте лезвий ножей.
В разделе 1.4 содержится анализ конструктивных особенностей роторных рабочих органов с шарнирно закрепленными измельчающими элементами. Скорости взаимодействия рабочих органов с предметом труда у таких измельчителей – максимальны, а процесс измельчения приобретает
ударный характер. Подобные рабочие органы просты по конструкции и имеют высокую надежность. Широко применяются в машинах для кошения
кормов, в которых не исключено взаимодействие рабочих органов с почвой,
в лесохозяйственных мульчирователях, газонокосилках, в машинах для
стрижки кустарников, в молотковых дробилках и т.д. Качество процесса измельчения характеризуется высокой энергоемкостью и низким коэффициентом однородности. Взаимодействие рабочих органов с предметом труда осуществляется за счет инерционного или пневматического подпора. Часто такие рабочие органы выполняют транспортирующие функции.
В разделе 1.5 приводится анализ конструктивных особенностей роторных рабочих органов, разработанных на кафедре ПЛО СибГТУ и применяемых для кошения древесно-кустарниковой растительности, измельчения
опавших листьев и почв с древовидными включениями.
Во второй главе приведен параметрический анализ роторных рабочих органов. Дается обзор научных работ по обоснованию главного и основ-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7
ных проектных параметров.
В третьей главе разрабатывается концепция конструирования роторных рабочих органов на основе системного конструирования с учетом особенностей их функционирования, дается классификация рабочих органов на
основе функционального анализа. Приведены примеры.
В четвертой главе разрабатывается топология конструирования роторных рабочих органов лесохозяйственных машин, дается классификация
технологических способов взаимодействия с предметом труда, составлен
граф конструктивных решений, приводятся результаты конструктивного анализа, дается алгоритм поиска конструктивных решений.
В пятой главе приводятся основные принципы конструирования роторных рабочих органов, несущих конструкций, опор, валов, измельчающих
элементов на основе уменьшения стоимости изготовления, снижения материалоемкости, использования современных материалов. В приложениях приводится справочная информация.
Рисунки в книге выполнены в графических редакторах КОМПАСГРАФИК – 5.11 (АСКОН, лицензия № К-01-00725, СибГТУ) и AutoCAD
(Autodesk, Inc., s/n 112- 656770091), на заимствованные рисунки сделана
ссылка в подрисуночной надписи.
Краткий терминологический словарь, принятый в книге
Рабочий орган – элемент (часть) технической системы (машины), непосредственно взаимодействующий с предметом труда и изменяющий его
физико-механические, технологические и потребительские свойства.
Роторный рабочий орган (РО) – элемент (часть) машины, который
установлен в опорах и при взаимодействии с предметом труда активно вращается. Энергия от источника в виде крутящего (вращающего) момента и
угловой скорости к рабочему органу поступает через привод. Ротационные
рабочие органы вращаются в результате взаимодействия (реакции) с предметом труда.
Ротор (rotor) - (в механике машин) тело, которое при вращении
удерживается своими несущими поверхностями в опорах. Несущие поверхности – поверхности цапф, а в качестве опор используются подшипники.
Опора (support) – устройство, соединяющее ротор с несущим основанием (рама или кожух, корпус) и налагающее ограничение на его перемещение.
Привод (drive) – система взаимосвязанных устройств, предназначенная для приведения ротора во вращательное движение. Привод подключен к
источнику энергии. Часто под приводом понимается только система передачи движения.
Рама (frame) – несущая основа машины, состоящая из геометрически
неизменяемой стержневой системы, стержни которой во всех или некоторых
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
8
узлах неподвижно соединены между собой. Воспринимает основные нагрузки от рабочего органа, обрабатывающей поверхности, предмета труда, обеспечивает необходимую прочность, жесткость и устойчивость.
Кожух (shell) – наружная оболочка рабочего органа, предназначенная
для защиты человека от измельчаемых частиц, для изоляции рабочей камеры,
часто выполняет несущие функции. Создает пространство, в котором движется рабочий орган. Внутренняя часть образует рабочую поверхность, которая участвует в рабочем процессе.
Свойство (property) – черта, исключительно характеризующая данный объект проектирования и позволяющая точно определять объект при заданной степени детализации. При утрате свойства объект превращается в нечто иное;
Особенность (peculiarity) – черта, характеризующая объект проектирования с точки зрения его связи с другими объектами, способность воздействия на другой объект.
Элемент – часть технической системы, который может выступать самостоятельно, сохраняя свои свойства. Антипод часть технической системы,
которая при рассмотрении ее самостоятельно, теряет свои свойства.
Концепция (conception) – проект, представляющий собой схему решения задачи создания (разработки) технического средства.
Концептуальное исследование (creation of conception) – разработка
группы возможных концепций, которые могут служить основой для решения технической задачи в процессе проектирования. В результате данной
процедуры создается упорядоченное множество концепций, что ведет к снижению риска случайного выбора концепции конкретного изделия.
Критерий (criterion) – основа оценки, позволяющая избежать субъективных суждений при выборе альтернативных вариантов. Служит основой
оптимизации.
Конструкция (construction, design) – конкретная техническая реализация ТС, определяющая ее состав, форму, материалы, взаимное расположение
и связь составных частей и элементов (структура), состояние изделия и информационную выразительность. Синоним – устройство.
Техническая система (ТС) – абстрактное отражение комплекса взаимосвязанных технических средств, действующих как одно целое, обеспечивающих преобразование вещества (массы), энергии и информации. Объект
проектирования. Количество связей в системе определяет ее сложность.
Элементы системы обладают одной связью.
Техническое средство элемент технической системы, предназначенный для преобразование вещества (массы), энергии и информации. Разновидности: орудия, машины, инструменты, а также помещения;
Системный подход (systems approach) - метод анализа и синтеза технических систем с системных позиций.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
9
Оптимизация – методологическая процедура в процессе проектирования и конструирования, направленная на решение технической задачи с
наилучшими результатами, в соответствии с принятыми критериями.
Машина (machine) – техническое средство, выполняющее, как правило, механические движения, и служащее для преобразования материалов,
энергии и информации с целью повышения их потребительских качеств, замены или облегчения физического или умственного труда.
Проектирование (projecting, designing) – процесс составления описания, необходимого для создания в заданных условиях несуществующего объекта, на основе первичного описания и (или) алгоритма его функционирования или алгоритма процесса, преобразованием (часто неоднократным) первичного описания путем оптимизации заданных характеристик и алгоритма
функционирования или алгоритма процесса, устранением некорректности
первичного описания и последующем представлением описаний в виде описания на языке проектирования. Результат проектирования – проект. Синоним – конструирование.
Проект (design, project) – совокупность проектных документов согласно установленной номенклатуры, в которых представлены результаты
проектирования.
Автоматизированное проектирование (computer aided design, CAD) –
проектирование, при котором преобразование описаний объекта и (или) алгоритма его функционирования или алгоритма процесса, а также представление описаний на различных языках, осуществляется при взаимодействии человека и ЭВМ, либо без участия человека (automatic design). Для реализации
используется система автоматизированного проектирования (САПР) –
комплекс технических (аппаратных) и программных средств, математического, методологического, организационного и трудового обеспечения процесса
автоматизированного проектирования.
Системное проектирование (integral design) – проектирование на основе системного подхода, части с точки зрения целого.
Конструкторская документация (design documentation) –графические
и текстовые документы (на бумажном, магнитном или другом носителе),
которые в отдельности или в совокупности определяют состав (структуру)
или устройство (конструкцию) изделия и содержат необходимую и достаточную информацию для его разработки (проектная), изготовления (конструкторская), контроля, приемки, эксплуатации, ремонта и утилизации, выполняется на специальном языке описания.
Технология (technological, processing) – совокупность методов преобразования предмета труда, как правило, материалов, с целью получения определенных потребительских свойств.
Условные обозначения
П – проектирование, проект; К – конструирование, конструкция; КР –
конструктивное решение; ТР – техническое решение; ТС - техническая сис-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
10
тема, техническое средство, технологический способ; РО – рабочий орган;
РОо – одинаковый (идентичный) рабочий орган; РОр – различные рабочие
органы; ИЭ – измельчающий элемент; Ф – функция; Т – топология; ПР –
принцип работы; ПД – принцип действия; ЕСКД – единая система конструкторской документации; И – информация; ИБ – информационный банк данных; БД – база данных; ПТ – предмет труда; ЛМ – лесохозяйственная машина, лесная машина; Вх – вход, входная величина; Вых – выход, выходная величина; R – радиус ротора; D – диаметр ротора; L – длина ротора; V – объем
ротора; ω - угловая скорость, рад/с; n – частота вращения, мин-1; Vм – поступательная скорость машины; Vокр – окружная скорость; Р, Ррез – сила резания;
р – удельное сопротивление; N – мощность; А – работа; Z,z – количество элементов (измельчающих); Мкр – момент крутящий; Ми – момент изгибающий;
R – реакция; П, Q – производительность.
1 Анализ конструктивных особенностей
и свойств роторных рабочих органов
1.1 Анализ конструкций рабочих органов машин
для обработки почвы
Роторные рабочие органы получили широкое распространение в полевых сельскохозяйственных и лесохозяйственных машинах, применяемых
для обработки почвы. Такие машины часто называют фрезами [7,8,9,10]. В
сельскохозяйственной науке подобные рабочие органы относят к классу ротационных. Анализ литературных источников показывает, что все фрезы
можно условно разделить на три основные группы: для сплошной обработки
почвы; междурядной обработки лесных культур; рытья канав, траншей, фрезерования пней и кустарников.
1.1.1 Рабочие органы машин для сплошной обработки почвы
Фрезы первой группы с успехом используются для обработки осваиваемых болотных, садовых и лесных почв, в дорожном строительстве, а также для основной и предпосевной обработки почвы. Технические характеристики фрез приведены в таблице 1.1.
Типичным представителем фрез данной группы является фреза болотная ФБН-2 (рисунок 1.1).
Фреза предназначена для обработки заболоченных лесных почв с
целью их мелиорации. Агрегатируется в основном с тракторами Т-130, Т-150.
В результате экспериментов (Ф.М.Канарев, 1983) было установлено, что
наилучшее качество обработки почв фрезой ФБН-2,0 обеспечивается при подаче на нож не более 0,06 м/с при скорости движения агрегата 3,78 км/ч и
частоте вращения ротора 290 мин-1. Глубина обработки почвы - до 0,2 м.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
11
7 00
3
2
1
20 00
4
6
1200
2 6 50
5
8
7
Ðèñóíîê 1.1 - Ñõåìà íàâåñíîé ôðåçû ÔÁÍ-2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
12
Анализ конструкций показывает, что все фрезы имеют ротор, который чаще всего устанавливается горизонтально и поперек направления движения агрегата. Фрезерный барабан (ротор) с горизонтальной осью вращения
устанавливается чаще всего на двух подшипниковых опорах и приводится во
вращение от вала отбора мощности трактора карданным валом 1 (рисунок
1.1) через конический 2 и цилиндрические 4 редукторы, трансмиссионный
валик 7 или цепную передачу. На валу фрезы монтируются диски с ножами
5. Для регулирования глубины обработки почвы фреза снабжается опорными
колесами 8. Для обеспечения безопасной работы рабочий орган прикрывается решеткой 6. Фреза снабжается рамой 3 для навешивания на трактор.
Фрезы существенно расширяют возможности обработки почв, а в ряде случаев полностью заменяют почвообрабатывающие машины с пассивными рабочими органами. Высокая маневренность фрезерных агрегатов определяет их применение в условиях ограниченных участков, в садоводстве, в
питомниках, в фермерских хозяйствах, в закрытом грунте. Фрезы агрегатируются с энергонасыщенными тракторами. Встречаются самоходные фрезы с
собственными двигателями внутреннего сгорания или электродвигателями.
Процесс взаимодействия рабочих органов фрез с почвой осуществляется за
счет движения ножей по отношению почвы. Движение измельчающих элементов (ножей) складывается из поступательного движения фрезы вместе с
агрегатом V и вращательного движения ножей ротора вокруг его вращения
ω (рисунок 1.2, а). Кинематика движения ножей описывается сложными траекториями. Заглубляясь в почву на глубину h, нож отделяет от массива почвы
стружку. (Подробно кинематика роторных рабочих органов рассмотрена в
нашей работе [132]). Параметры кинематики существенно влияют на качество измельчения почвы. Общее устройство фрезы показано на рисунке 1.2,б.
Фрезы обычно выполняют по единой конструктивной схеме. Ротор 1 с ножами вращается в подшипниках рамы 9, навешиваемой на трактор. Рама фрезы
шарнирно соединяется с верхней регулируемой тягой 5 и нижними тягами
навески трактора. Положение рамы машины по высоте регулируется винтовым механизмом, связанным с опорным колесом 8. В транспортное положение фреза переводится гидроцилиндром навески трактора. Вращение на ротор 1 передается от ВОМ трактора 7 посредством карданного вала 6 через
конический редуктор 4 и цепную передачу 3. В некоторых фрезах вместо
цепной передачи применяются цилиндрические редукторы и трансмиссионные валы. Крепление дисков к валу ротора с горизонтальной осью вращения
у большинства фрез выполняется жестким (неподвижным). В рабочих органах, функционирующих в условиях, где могут встречаться трудноизмельчаемые включения (корневища, пни, древовидные остатки, камни) несущие диски
3
(рисунок
1.3)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
13
Таблица 1.1
- Техническая характеристика фрезерных машин для сплошной обработки почвы [1,7,8,10]
Болотные
Параметры
Прицепные
Навесные
ФБН-0,9
ФБС-1,5
секционная
ДТ-75,
ДТ-75М
Агрегатируемый
трактор
ДТ-75
Глубина обработки
почвы, см
Ширина захвата, м
Диаметр роторного барабана, мм
Число ножей на
несущем диске
Частота вращения
ротора, мин-1
Окружная
скорость по концам
ножей, м/с
Поступательная
скорость агрегата,
м/с
Производительность за час чистой работы, га
Мощность, кВт
Масса конструктивная, кг
18 – 20
12 – 20
0,9
740
8–4
1,5 – 1,6
600 –
700
8–4
310
300
БолотПолевые
нолесная
ФБН-1,5 АКРКФГ-3,6
3,6
глубокорыхлитель
ДТ-75, Т-150К Т-150К
ДТ-75Б
Т-4А
ФБН-2
ФБ-3,5
МПГ-1,7
ФБ-1
ФБК-2
ДТ75Б
ДТ-75М
20
Т-150
Т-150
ДТ-75,
ДТ-75Н
Т-150
15 – 20
40
20
21
20
12
1,7
800
1,0
800
2,0
710
8–4
2 – 3,5
600 –
700
4
8–4
8–4
8-4
1,5
500 –
560
5–3
200 –
290
200 –
290
220
227
234
293
2,0
730
Полевая
облегченная
3.6
360
8-18
лапа
3,6
360
5 – 12
1, 3 – 1,8
350 – 450
3
3
4
240
240
220 – 250
4,4 – 4,5
11,5
6–8
7,2
6–8
8 – 13
14
8,3
7,25
17
17
0,27
0,8 – 1,0
0,62 –
1,0
0,7 – 1,1
0,15 –
0,35
0,55 –
0,94
0,58 –
0,97
1,5 –
1,55
2,1
2,2
0,6 – 1,8
0,3
0,58
0,63
1,4
0,21
0,3
0,6
0,7
2,7
2,16
1,16
38
565
60
600
75
1320
112
1300
112
2000
75
1560
112
2000
60
800
112
1750
112
1800
18
300
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
14
устанавливаются на валу ротора 1 свободно и приводятся во вращение через
фрикционы 4, которые прижимаются к несущим дискам при помощи пружин
5. Такое крепление несущих дисков обеспечивает их предохранение от поломок при встрече ножей 2 с трудноизмельчаемыми препятствиями. Фрикционные шайбы 4 изготовляются из армированного асбеста или ферродо. У некоторых фрез фрикционы 4 изготовляются из чугуна или стали.
S
w
h
R
à)
5
4
6
3
1
2
7
u
á)
9
8
Îáùàÿ ñõåìà ôðåçû
Рисунок 1.2 – Схема общего устройства фрезерных
почвообрабатывающих машин
Имеются конструкции рабочих органов фрез с групповыми фрикционными или зубчатыми предохранительными устройствами.
В зависимости от назначения фрезы, на барабане устанавливаются
несущие диски с закрепленными на них ножами различной формы. Геометрические параметры рабочих органов, их ориентация относительно траектории движения и режимы функционирования определяют основные технологические и эксплуатационные показатели почвообрабатывающих машин.
Анализ конструкций рабочих органов фрезерных почвообрабатывающих машин показывает, что обычно на фрезах применяются следующие
типы измельчающих элементов (ножей):
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
15
Прямые ножи (рисунок 1.4,а) обычно устанавливают на фрезах для
обработки лесных почв, изобилующих древовидными остатками, используются прямые ножи с прямолинейным или криволинейным лезвием (рисунок
1.4,б).
4
3
2
1
5
Ðîò îðíû é ð àáî÷ èé î ðãàí ïî÷â åííî é ô ð åç û
1 - âàë; 2 - èçìåëü÷àþùèå ýëåìåíòû (íîæè);
3 - íåñóùèå äèñêè íîæåé; 4 - ôðèêöèîíû;
5 - ïðóæèííîå ïðåäîõðàíèòåëüíîå óñòðîéñòâî
Рисунок 1.3 – Схема ротора фрезы с горизонтальной осью вращения
Такие ножи оцениваются минимальной энергоемкостью измельчения
почвы и низкой забиваемостью растительными остатками. Размеры зоны деформации почвы прямыми ножами зависит от глубины обработки и угла атаки лезвий к направлению движения агрегата. Толщина ножа чаще всего составляет 8 – 10 мм, а ширина – до 100 мм. Толщина и ширина ножа при расчетах определяется из условия обеспечения прочности. Угол заточки лезвий
принимается равным 30 – 35 0 для минеральных почв, и 20 – 25 0 – для почв с
растительными остатками и дерниной. Лезвие выполняется с одно- или двухсторонней заточкой. Односторонняя заточка ножей практикуется для фрез с
параллельным относительно направления движения агрегата расположением
несущих дисков. В случае расположения несущих дисков фрезы под углом к
направлению движения агрегата применяют одностороннюю заточку лезвий.
Длину заточки лезвия (длину рабочей части ножа), назначают исходя из глубины обработки почвы и высоты микронеровностей на поверхности почвы.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
16
По данным исследований (М.З. Циммерман, 1978) прямые ножи хорошо крошат почву, разрезают дернину и растительные остатки, однако, недостаточно качественно перемешивают остатки с почвой. Такие ножи обеспечивают меньшую энергоемкость измельчения почвы. При функционировании фрез с прямыми ножами 90 % энергии тратится на резание и 10 – 15 % на разрыв и скалывание. Лучшее качество измельчения на твердых минеральных почвах обеспечивают прямые ножи. Ножи с закругленными режущими лезвиями хорошо зарекомендовали себя на задернелых и торфяных
почвах. При установке ротора фрезы под небольшим углом атаки обеспечивается лучший оборот отрезаемой почвенной стружки. Некоторые исследователи (Е.П. Яцук , М.Н. Летошнев и др.) рекомендуют для быстроходных
фрез, имеющих скорости резания почвы ножами в пределах до 8 м/с, углы
атаки - 5 – 12 0, для тихоходных, работающих со скоростями резания почвы
3,5 – 5 м/с, углы атаки назначать 10 – 15 0.
Прямые ножи фрез обычно обрабатывают почву на глубину 14 – 16
см и располагаются на роторе с расстоянием 100 – 125 мм один от другого. С
увеличением расстояния установки ножей на роторе ухудшается качество
крошения почвы. С увеличением количества одновременно работающих ножей качество крошения повышается, но одновременно и увеличиваются
удельные энергозатраты.
Изогнутые ножи (рисунок 1.4, в,г) устанавливаются на роторе для
подрезания корневой системы, перемешивания почвы и заделки древеснорастительных остатков. Получили наибольшее распространение в болотных,
полевых, лесных и садовых фрезах. Изогнутая часть лезвия способствует более интенсивному крошению почвы. Длину изогнутой части рекомендуют
назначать 40 – 50 мм. Большую длину ножей задают для старопахотных
почв, меньшую – для плотных и лесных почв. При использовании изогнутых
ножей увеличивается зона обработки, но также увеличиваются энергозатраты. Возрастает крутящий момент на валу ротора. Для более качественного
рыхления, перемешивания почвы и создания симметричной нагрузки изогнутые Г-образные ножи устанавливают поочередно правого и левого загиба.
Ножи с двухсторонним загибом в фрезерных машинах для обработки почвы
не встречаются. Конструктивные параметры изогнутых ножей назначают
аналогичными параметрам прямых ножей.
Форму и величину изгиба ножа назначают в зависимости от типа
почвы. Длина изогнутой части обычно составляет 40 – 80 мм. Большие значения определяют для старопахотных почв. Расстояние между ножами при
работе фрез на легких почвах задают в пределах 200 – 300 мм. На задерненых
почвах – 100 – 180 мм.
Большое влияние на сопротивление Г-образного ножа оказывает угол
заточки режущей грани и расположения фаски. Многочисленные исследования показали, что сопротивление резанию почвы снижается с уменьшением
угла заточки. Однако это ведет к уменьшению прочности ножа. Обычно угол
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
17
заточки принимают 25 – 35 0. Рекомендуется комбинированная заточка, которая существенно снижает сопротивление почвы. Заточку стойки ножа выполняют с внутренней стороны, а крыла – с наружной [21].
Ножи устанавливают на несущих дисках ротора относительно радиуса с таким расчетом, чтобы стойка ножа при входе в почву обеспечивала
плавное нарастание нагрузок, при этом устраняются ударные нагрузки.
Рыхлящее долото (рисунок 1.4,д) конструктивно имеет режущий элемент шириной 18 – 55 мм, представляющий собой двухгранный клин. Рыхлящее долото применяется в фрезах, предназначенных для основной и предпосевной обработки минеральных почв. Предпосевное рыхление почвы выполняется полевыми крючками, устанавливаемыми на барабане фрезы. Рабочая часть рыхлящего долота устанавливается под углом δ к траектории движения фрезы. Режущую часть рыхлящего долота затачивают аналогично заточке рыхлящих лап культиватора.
Фрезы, имеющие ротор с рыхлящими долотами, на засоренных почвах забиваются растительными остатками. При жестком креплении рыхлящих долот к ротору в конструкциях фрез предусматривают предохранительные устройства.
Кроме вышеназванных измельчающих элементов рабочих органов
фрез, встречаются тарельчатые ножи (рисунок 1.4,ж), применяемые часто
для обработки торфяников с погребенной древесиной и кустарниковой растительностью. Тарельчатые ножи обладают повышенной энергоемкостью
измельчения почвы и быстро изнашиваются при их использовании на минеральных почвах. Конструктивно эти ножи устанавливаются на специальных
державках, приваренных к корпусу ротора, и крепятся болтовым соединением. Ножи с круглой режущей кромкой имеют преимущества по сравнению с
ножами другой формы. Эти ножи обеспечивают свободное резание стружки
по заданному направлению без бокового подрезания. Между режущей кромкой круглого ножа , находящегося в зоне резания, и плоскостью, перпендикулярной к направлению движения ножа, всегда есть угол, увеличивающийся
с удалением от центра к крайним точкам.
Благодаря такому конструктивному решению, происходит резание со
скольжением. Под действием срезаемой стружки такой нож самоочищается
от древесных волокон. В момент внедрения чашечного ножа в почву работает только часть режущей кромки, что создает значительные разрушающие
усилия. Такие свойства чашечных ножей хорошо себя проявили при обработке почв, изобилующих древововидными включениями, имеющими более
высокие прочностные показатели чем минеральная почва. Встречаются они,
главным образом, в лесных фрезах.
На фрезах с вертикальной осью вращения ротора наибольшее распространение получили плоские и винтовые ножи. На одной фрезе обычно устанавливается два или три плоских ножа. В лесохозяйственных почвообрабатывающих машинах такие рабочие органы не встречаются.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
18
b
a
B
L
R
L
B
l
l
L
L
Ro
B
B
R
a
Ro
Ro
2
a
a
b
b
a
á)
â)
b
ä)
ã)
à)
B
L
L
L
b
B
å)
æ)
R
B
ç)
Рисунок 1.4 – Конструктивные параметры ножей:
а – прямой скалывающий; б – прямой режущий; в – изогнутый односторонний; г – изогнутый двухсторонний; д – рыхлящее долото; е – чашечный
нож; ж – тарельчатый нож; з – дисковый нож
Ножи фрез для обработки почвы изготовляются из стали 65Г или 70Г
(ГОСТ 14959-76) и подвергаются закаливанию. Лезвие термообрабатывают
до твердости HRC 43 – 53. В незакаленной зоне твердость составляет НВ 352.
Иногда лезвия наплавляют износостойкими материалами типа сормайт № 1 и
№ 2, в этом случае тело ножа нормализуют с твердостью не более НВ 269.
Конструктивные параметры ножей различных почвенных фрез приведены в
таблице 1.2 [1, 7, 8, 9, 10]. Обозначения параметров показаны на рисунке 1.4
(l - длина лезвия ножа, L - длина ножа, B - ширина ножа, b - толщина ножа. α – задний угол, δ- угол резания. β – угол заострения, 2γ - угол раствора лезвия).
Анализ конструкций фрез показывает, что встречается жесткое, упругое и шарнирное крепление измельчающих элементов к ротору. На рисунке
1.5 показаны способы крепления измельчающих элементов к ротору и пружинные крючки (1.5,г). Пружинные полевые крючки и рыхлящие долота
применяются для глубокой обработки почв, изобилующих мелкими каменистыми включениями и корнями. При взаимодействии с почвой такие ножи
совершают колебательные движения. Крепление ножей имеет конструкцию,
которая позволяет быстро заменять неисправные ножи или при их ремонте.
Шарнирное крепление ножей к ротору получило распространение в измельчителях.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
19
Таблица 1.2 - Конструктивные параметры рабочих органов
почвенных фрез
Тип рабо- В,
чего орга- мм
на
Прямой
90
скалывающий и режущий ножи
Изогнутый
90
одно- и
90
двухсто55
ронний
55
ножи
Рыхлящее
долото
60
50
55
55
50
78
b,
мм
R,
мм
8
-
8
8
5
4
10
35
45
55
18
80
80
40
35
8
86
86
86
85
R0 ,
мм
l1,
мм
L,
a,
мм мм
34 216 240
–
120
120
220
100
130
150
150
150
110
216
212
90
130
110
160
160
160
175
-
263 70
240 70
170 65
177 54
266 59
205 115
205 115
205 115
195 85
36
α,
град
β,
град
8
30
38
-
3
5
3
15
16
15
15
15
20
30
28
20
28
35
23
35
43
35
35
35
40
70
70
60
57
60
60
60
45
20
20
20
20
40
Чашечный
нож
Тарельча95
40
30
тый нож
Дисковый
250 14 380
32
30
нож
(обозначение параметров рабочих органов показано на рисунке 1.4)
δ,
γ,
град град
49
Для агрегатирования с тракторами класса тяги 3 выпускается болотная навесная фреза ФБН-1,5, которая используется для обработки кочковатых лугов и пастбищ. Аналогичные параметры имеет фреза ФБК-2, агрегатируемая с тракторами Т-150, Т-150К.
Большинство сельскохозяйственных фрез имеют по одному ротору.
Однако фреза ФП-4,2 имеет два ротора и применяется в агрегате с трактором
К-701 для рыхления сильнозадернелых почв, выродившихся сенокосов и пастбищ. Используется болотный вариант двухроторной фрезы для агрегатирования с тракторами Т-150, Т-150К и ДТ-75С.
Имеются разработки по созданию почвообрабатывающего агрегата
АПП-4,2 для улучшения лугов и пастбищ. Агрегат осуществляет фрезерование почвы полосами с одновременным высевом семян и прикатыванием посевов.
При выполнении мелиоративных работ почвообрабатывающие фрезы
часто снабжаются роторными перемешивателями с добавлением сухих мелиорантов (ПР-1).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
20
á)
à)
â)
ã)
Рисунок 1.5 – Способы крепления измельчающих элементов
к несущим
дискам: а – жесткое (неподвижное); б- упругое; в – шарнирное; г – полевые крючки
Садовые фрезы ФП-2 и ФПШ-200 используются для междурядной
обработки почвы в ягодниковых кустарниках, молодых и плодоносящих садах. Для обработки садов под пологом деревьев применяют фрезу ФС-0,9,
которая позволяет приблизиться агрегату к дереву на расстояние до 2 м. Садовая фреза ФСН-0,9Г фронтальной навески с трактором Т—54В или «Универсал –455-У» применяется для обработки почвы в приствольных кругах
деревьев. Фрезами ФН-110 и ФН-125 обрабатывают почву в междурядьях
чайных и цветочных плантаций и в других плодовых посадках с шириной
междурядий от 1,4 до 2,5 м. В защищенном грунте применяют самоходные
фрезы ФС-0,7А и мотыгу ЭМ-12А с электроприводом. В городских зеленых
насаждениях применяют малогабаритные фрезы МФ-20, а для обрезки бровок газонов – СК-19 [21].
В городских зеленых хозяйствах фрезы используются на газонах с
уменьшенными оперативными площадями. Плотность почвы дорожек, тропинок выше в 5 – 7 раз плотности остальной части газона. Рабочий орган
функционирует в условиях сильной засоренности почвы. Как правило, фрезы, работающие в городских зеленых хозяйствах, являются малогабаритными. У большинства малогабаритных почвенных фрез привод на опорные колеса отсутствует. Машина перемещается тяговым усилием, создаваемым самим рабочим органом, имеющим режущие ножи специальной формы. Мотофреза МФ-20 предназначена для рыхления почвы приствольных лунок деревьев или для обработки небольших площадей газонов. Рабочий орган машины – фрезерный барабан. Состоит из нескольких секций, установленных
на полый вал несущими дисками, к которым болтами крепятся ножи. При
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
21
вращении рабочий орган функционирует как движитель, толкающий машину
вперед [24].
Машина МТП – 1,2 используется для вскапывания и фрезерования
почвы в блочных грунтовых теплицах. Фрезерный барабан машины МТП-1,2
снабжается дробителями и устанавливается на раму при помощи торсионного вала, который предохраняет рабочий орган от поломок при попадании
крупных предметов между ножами и дробителями.
Рабочий орган машины для обрезки кромок газонов СК-19 комплектуется плоскими и фигурными ножами. В рабочем положении нож устанавливается относительно нулевой отметки опорной поверхности в пределах 40
– 45 мм. Высота установки ножа регулируется рычажно-винтовым механизмом. Угол заточки лезвия ножа составляет 300.
В городских зеленых хозяйствах используются фрезы с электроприводом. На рисунке 1.6 [23] показана схема самоходной электрофрезы. Рабочими органами фрезы являются сменные роторы с заточенными изогнутыми
лезвиями или пружинными рыхлительными лапами
Рисунок 1.6 – Конструктивная схема самоходной
электрофрезы ФС-0,7А [23]:
1 – колеса; 2 – редуктор; 3 – предохранительная муфта; 4 – электродвигатель; 5 – муфта включения ротора; 6 – рукоятка управления; 7 – рычаг
включения ротора; 8 – кожух ротора; 9 – ротор с рабочими органами
. Электромотыга ЭМ-12А (рисунок 1.7) [23] предназначена для
сплошного и междурядного рыхления почвы и уничтожения сорняков в непосредственной близости от растений в теплицах и парниках. Рабочий орган
электромотыги представляет собой ножевой ротор, состоящий из двух несущих дисков с четырьмя изогнутыми заточенными лезвиями. Вращаясь, он
уничтожает сорняки и рыхлит почву. Фреза снабжается специальной тележкой, на которой смонтирована пускозащитная аппаратура и преобразователь
ИЭ-9403, снижающий напряжение сети с 220/380 до 32 В. Привод осуществляется электродвигателем АП-23А (V = 32 В, N = 0,27 кВт). У фрезы само-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
22
ходной ФС-0,7 привод осуществляется от электродвигателя АОЛ2-32-4 (N =
3 кВт, V = 220/380 В). Используется кабель типа КРПТ 3х1,5 - 1х1. У малогабаритных фрез обычно ротор состоит из двух фрезерных барабанов.
У всех вышеназванных фрез ротор устанавливается горизонтально.
Технические характеристики садовых фрез приведены в таблице 1.3, а малогабаритных – в таблице 1.4
Рисунок 1.7 – Схема электромотыги ЭМ-12 [23]:
1 – мотыга; 2 – гибкий электрокабель; 3 – переносной электрошкаф с понижающей аппаратурой
Рисунок 1.8 – Конструктивная схема полольника ПМА-2 [23]:
1 – фреза; 2 – клиноременная передача; 3 – бак топливный; 4рама разборная; 5 – колесо; 6 – двигатель; 7 - редуктор
Передвижной мотоагрегат ПМА-2 (рисунок 1,8) [23] является универсальной машиной. Он может подготавливать посадочные места при озеленении, осуществлять прополку и рыхление почвы, скашивать траву и поросль
диаметром до 15 мм, срезать кустарник и деревья диаметром до 15 мм. Привод рабочего органа осуществляется от двигателя «Дружба-4». В комплект
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
23
агрегата входят пять сменных рабочих органов: полольник; передвижной
бур; комбинированный рыхлитель; косилка; пильный аппарат. Сменный полольник (рисунок 1,8) устанавливается впереди агрегата. Рабочий орган – ротор с подрезающими ножами. Масса агрегата с полольником составляет 48
кг. Комбинированный рыхлитель ПМА-2 представляет собой ротационный
комбинированный рабочий орган, предназначенный для подготовки посадочных мест в виде круглых площадок с разрыхленной почвой.
Фреза полевая универсальная ФПУ-1,5 (разработчик ГСКБ по культиваторам и сцепкам, г. Ростов-на-Дону) применяется в четырех вариантах:
фреза; культиватор-гребнеобразователь; ботводробитель; фреза в комплекте
с гребнеобразователем и ботводробителем. Фреза имеет небольшую массу, и
путем переналадки на одной раме можно скомплектовать три машины. Агрегатируется с тракторами КМЗ-20, Т-25, Т-30, Т-40.
Для работы в теплицах с высотой вертикальной части стенки не менее
2 м применяется фреза ФНТ-1,5 (изготовитель – АО «Гатчинасельмаш»). Обработку почвы на глубину до 18 см и выравнивание обработанной поверхности фартуком осуществляет фреза ФМН-0,9 (разработчик и изготовитель
«Киевтрактордеталь»). Агрегатируются с мини тракторами.
В лесном хозяйстве фрезы с роторными рабочими органами широко
используются для предпосевной обработки почвы в питомниках, содействия
лесовозобновлению.
Таблица 1.3 - Технические характеристики садовых и плантажных фрез
[20,23,24]
Параметры
ФП - 2
Ширина захвата, м
Глубина обработки, м
Рабочая скорость, км/ч
Производительность за
час чистой работы, га
Габариты, м:
длина;
ширина;
высота
Масса конструктивная,
кг
ФС0,9
ФСН-0,9Г
ФН-110
ФН-125
1,4; 1,7;
2,16
0,06 –
0,13
1,5 – 5,6
0,4 – 1,0
ФПШ200
(НРБ)
1,45; 1,78;
1,87; 2,20
0,06 –
0,15
3–6
До 1,1
0,9
0,9
1,15
1,35
До
0,10
2,8
0,2
0,05 – 0,11
0,12
0,12
1,7 – 4,7
0,15 – 0,42
4
0,5
4
0,7
1,20
2,25
1,37
1,54
2,63
1,20
2,45
3,29
0,50
2,85
2,24 – 3,24
2,48
1,05
1,28
1,05
1,05
1,50
1,05
550
660
405
350
265
300
Применяются они и на вырубках для посадки лесных культур. К качеству обработки почвы фрезами предъявляются повышенные требования. В
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
24
Таблица 1.4 - Технические характеристики малогабаритных фрез
[11,23,26]
Параметры
Ширина захвата, м
Глубина обработки почвы,
см
Производительность в час
основного времени, га
Габариты, мм:
длина;
ширина;
высота
Масса конструктивная, кг
Агрегатируемый трактор
ФПУ1,5
1,5
ФНТ1,5
1,5
ФМН-0,9
21-М
0,4; 0,6;
0,9
До 20
До 20
До 18
0,27;
0,37;
0,57;
0,70
До 8
0,68
0,45-0,6
0,27
1533
220
1085
350
Т-25,
КМЗ20, Т-40
1350
1600
980
400
Т-25
910
940
670
100
Т-010, Т012
0,1 –
0,25
44
Мотоблоки
ГФО1,8
1,8
До 0,85
До 10
До 8
40-И
До 0,54
2500
2210
1300
1100
МТЗ-80,
МТЗ100
125
Минитракторы
лесных питомниках перед посевом лесных семян предъявляются жесткие
требования к качеству рыхления почвы. Причем количество комочков диаметром более 25 мм не должно превышать 10 % от общей массы почвы в обработанном слое. Высокие требования предъявляются к выравниванию поверхности посевных гряд [21]. При обработке почвы под посадку лесных
культур на вырубках не рекомендуется оставлять дернину на поверхности. В
процессе рыхления почвы с одновременным измельчением древовидных
включений длина измельченных порубочных остатков не должна превышать
30 см (в количестве не менее 80 % к общей ее массе) [21]. Общее требование,
предъявляемое лесоводами к качеству обработки почвы, – обработанные полосы должны быть пригодны для механизированной посадки лесных культур
без какой-либо дополнительной обработки. Лесные фрезы по своему устройству и техническим параметрам приближаются к машинам для расчистки
площадей (анализ конструкций последних дается в разделе 1.1.3). При работе
на вырубках с числом пней до 600 шт./га и при полосной расчистке фрезы
измельчают надземную части пней. В отдельных случаях пни измельчаются
вместе с верхними почвенными горизонтами. При числе пней на вырубке до
400 шт./га почва обрабатывается фрезами при их движении между пнями.
При обработке почвы непосредственно в зоне размещения растений оставляется необработанная полоса шириной 50 см.
Основные технические характеристики лесных фрез приведены в таблице 1.5.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
25
Таблица 1.5
Параметры
- Основные характеристики лесных фрез
ФЛШ-1,2
Ширина захвата,
1.2
м
Глубина обработ16
ки почвы, см
Диаметр ротора,
600
мм
Тип рабочего ор- Г-образные и
гана
пластинчатые
ножи
Частота враще220
-1
ния ротора, мин
Производитель1,5 – 2,0
ность за час чистой работы, км
пог.
Агрегатируемый
ЛХТ-55
трактор
Габариты, мм
1380х1440х16
40
Масса конструк850
тивная, кг
МФ-0,9
МЛФ-0,8
ФЛУ-0,8
ФПШ-1,3
0,9
0,8
0,8
1,3
25
20
12 - 16
10
1000
800
640
400
Сферические
ножи –12 шт
Тарельчатые ножи –
40 шт
Г-образные
ножи – 56
шт
270
270
240
3 Гобразных
ножа на
диске
240 - 3000
0,62
0,58
2,5 – 3,0
1,5 – 1,8
ДТ-75Н
ЛХТ-100
ЛХТ-55
Т-16М
3750х1780х13
35
2500
3800х1750х
1360
2300
750
400
На рисунке 1.9 показана схема лесной фрезерной машины МЛФ-0,8
Рисунок 1.9 – Схема лесной фрезерной машины МЛФ-0,8 [21]:
1 – рама; 2 – редуктор конический; 3 – гидроцилиндры поджатия плиты; 4
– редуктор цилиндрический; 5 – гидроцилиндр подъема машины; 6 – решетка грабельная; 7 – колеса опорные пневматические; 8 – нож тарельчатый; 9 – барабан фрезерный; 10 – нож противорежущий; 11 – лыжа опорные; 12 – плита отбойная
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
26
К машинам первой группы можно отнести роторные плуги, параметры которых даны в таблице 1.6.
В сельском хозяйстве применяются для обработки почвы роторные
плуги [8]. ВИСХОМом и заводом «Алтайсельмаш» разработан роторный
плуг ПР-2,7 (рисунок 1.10), агрегатируемый с трактором Т-150К. Имеет ширину захвата 2,7 м и массу 1850 кг и предназначен в основном для обработки
почв рисового севооборота. Хорошо зарекомендовал себя этот плуг при обработке подтапливаемых рисовых полей при совмещении вспашки и культивации с одновременным распределением в обрабатываемом слое удобрений и
растительных остатков. Глубина обработки плуга составляет 0,25 м с подачей
на нож до 0,2 м.
2
1
4
3
5
6
8
7
9
Ñõåìà ðîòîðíîãî ïëóãà ÏÐ-2,7:
1 - ðàìà ïëóãà; 2 - êîëåñî îïîðíîå; 3 - âàë òðàíñìèññèîííûé;
4 - âàë êàðäàííûé; 5 - ðåäóêòîð êîíè÷åñêèé öåíòðàëüíûé;
6 - áîêîâîé ðåäóêòîð îñíîâíîé; 7 - ðåäóêòîð äîïîëíèòåëüíûé;
8 - çàãëóáëÿþùèå ðàáî÷èå îðãàíû; 9 - íîæè ðîòîðà
Рисунок 1.10 – Схема плуга с горизонтальным ротором
Таблица 1.6 -
Технические характеристики роторных плугов
[1,7,8,10,11,17,24]
Показатели
ПРН-40
ПР-2,7
Ширина захвата, м
Глубина
обработки
почвы, см
Рабочая скорость, м/с
Производительность
за час чистой работы,
га
Агрегатируемый
трактор
Расположение
оси
вращения
0,4
30; 70
2,7
25
АКР3,6
3,6
12
1,4
1,9
2.1
1,9
2,4
Масса конструктивная, кг
ДТ-75К
Т-150
Вертикальное
Т-150К
ПШ-1
МФ-0,9
3,87
0,9
16
0,48 – 0,54
1,0 км
пог.
ЛХТ-55
Т-150
ДТ-75
Горизон Горизон Горизон
тальное тальное тальное
1850
1750
МПТ-1,2
для теплиц
1,5
До 30
750 м пог.
0,24 – 0,27
ДТ-75
Т-54В
Горизонтальное
Горизонтальное
730
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
27
Плуг может применяться в тех местах, где не могут использоваться
лемешно-отвальные плуги из-за большого тягового сопротивления.
Плуг ПРН-40 является комбинированным. Имеет лемешно-отвальный
корпус и ротор. Ротор работает в сочетании с лемехом и укороченным отвалом. Подрезанный в горизонтальной плоскости лемехом и в вертикальной
плоскости укороченным пассивным отвалом пласт почвы поступает на ротор,
на котором дополнительно крошится лопатками и укладывается на дно борозды. Применяется для подготовки почвы поперек склонов крутизной до 120
под защитные лесные насаждения. Одновременно со вспашкой производится
рыхление почвенного пласта. Ротор устанавливается вертикально и представляет собой усеченный конус, на котором закреплены измельчающие лопатки.
Роторные плуги хорошо крошат почву, имеют широкий диапазон регулировки по скорости резания и толщине стружки. Применяются в сельском хозяйстве для обработки почвы под корнеклубнеплоды. На плотных
почвах при плохом заглублении роторных плугов в передней части рамы
плуга ставят мощные заглубляющие культиваторные лапы. Роторные плуги
не применяются на почвах, засоренных камнями и в лесном хозяйстве.
1.1.2 Рабочие органы машин для междурядной обработки почвы
Почвообрабатывающие машины второй группы используют для междурядной обработки лесных и сельскохозяйственных культур. Роторы в
таких машинах устанавливаются либо вертикально, либо горизонтально. В
качестве примера типового конструктивного исполнения роторов с вертикальной осью вращения можно привести ротационную борону ВРБ-3,6 (рисунок 1.11) [17] и культиватор КФВ-3,6 (рисунок 1.12) [14]. В конструкциях
таких машин заложены особенности функционирования роторов с вертикальной осью вращения, которые позволяют применять их для обработки зоны, максимально приближенной к растениям.
Типоразмеры роторных культиваторов очень многообразны. Техническая характеристика роторных машин для междурядной обработки почвы
приведена в таблице 1.7.
В машинах для междурядной обработки почвы роторы устанавливаются секциями в соответствии со схемой посадок. Ширина захвата секций
обуславливается шириной междурядий. Анализ конструкций показывает, что
для междурядной обработки на машинах могут устанавливаться 1, 2, 4, 6 и 12
роторов (КФ-5,4) [17]. Для обработки почвы в теплицах и в зеленом строительстве используют однорядные самоходные фрезы. Для обработки приствольных кругов деревьев используют фрезы с боковым выносом ротора.
Машины такого типа часто снабжаются механизмом автоматического отвода
рабочего органа от штампа дерева.
Роторы культиваторов приводятся во вращение от вала отбора мощ-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
28
ности через карданный вал, редуктор, трансмиссионный вал и зубчатые или
цепные передачи.
Конструктивно встречается несколько схем приводов рабочих органов. По первой схеме, аналогично фрезерным машинам, вращение передается на общий для всех дисков вал. Отличительной особенностью культиваторов является то, что секции ротора могут перемещаться вдоль оси общего вала. Культиваторы, выполненные по данной схеме, применяются для обработки почвы в междурядьях низкостебельчатых культур, поскольку высота
растений должна быть меньше радиуса ротора.
5
6
4
2
3
1
n = 540 ìèí-1
ÂÎÌ
Êèíåìàòè÷åñêàÿ ñõåìà áîðîíû ñ âåðòèêàëüíûìè ðîòîðàìè ÂÐÁ-3,6:
1 - âàë êàðäàííûé; 2 - ðåäóêòîð öåíòðàëüíûé; 3 - âàë òðàíñìèññèîííûé;
4 - ìóôòà; 5 - ðåäóêòîðû äîïîëíèòåëüíûå; 6 - ðîòîðû
Рисунок 1.11 – Схема бороны с вертикальными роторами
ÂÎÌ
Ñõåìà êóëüòèâàòîðà ñ âåðòèêàëüíûìè ðîòîðàìè ÊÔÂ - 3,6
Рисунок 1.12 – Схема почвообрабатывающей машины
с вертикальными
роторами
В таблице 1.8 приведена техническая характеристика лесных роторных культиваторов
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
29
Таблица 1.7 - Техническая характеристика роторных машин для междурядной обработки почвы
[1,7,8,10,11,17,24]
Параметры
ФП-2
ФМ-2
ФСН-0,9
ФС0,6
ФС-0,9
ФСП1,2
ФПШ4,2
КРН1,4
КФ-2,7
ФПН2,8
Пропашная
12-рядная
ФС1
Класс агрегатируемого трактора, кН
Глубина обработки
почвы, см
Ширина захвата, м
14 –
20
12
14 –
20
8
6 – 14
6
6
14
14
6
9 – 14
14 – 20
20
6 – 11
10
12
12
5 – 10
8 – 10
4–8
5 – 10
5 – 10
1,3 –
2
450
1,5 –
2
225
0,9
0,6
0,9
1,2
1,4
2,7
600
450
450/470
480
300
0,18 –
0,38
350
0,25 -0,3
370
0,18 –
0,38
350
Двиг.
5 кВт
10 –
22
0,5 –
0,7
420
196
400;
510;
605
4 –7
403
220
180;
220
250 – 300
200 –
300
220 –
350
200 –
300
160 – 280
180 –
250
4,5 – 6
4,5 – 6
4–7
2,5 – 4,0
4–6
4 –6
4–6
1.0 – 2,5
4,0
0,84 –
1,39
0,45 –
1,0
1,12 –
1,39
0,36 –
0,45
70;
80;
100
4,5 –
6
0,84 –
1,39
0,18 –
0,3
0,6 –
1,0
0,19 –
0,32
0,84 –
1,39
0,36 –
0,6
0,75 – 1,5
1,37
0,6
0,75 – 1,5
1,3
0,53
0,5
0,75 –
1,5
0,75
0,3 –
1,2
0,3
30
7,5 – 12
7,5 – 12
26
26 – 30
7,5 - 9
14
Диаметр ротора, мм
Частота
вращения
ротора, мин-1
Окружная скорость 4 – 7
ротора, м/с
Поступательная ско- 1,66
рость агрегата, м/с
Производительность 0,78 –
за час чистой рабо1,1
ты, га
Мощность, кВт
30
12 –
15
300
350
1,95
Масса конструктив- 500
450
410
400
330
600
400
452
563
1100
140
ная, кг
Примечания: 1 – для фрезы ФСП –1,2 в числителе указан диаметр ротора при горизонтальном его расположении, в знаменателе – при вертикальном; 2 – число ножей у всех машин 6, а у КРН-1,4 и ФС-1 – 4.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
30
Для культиваторов, конструктивно выполненных по второй схеме,
характерно то, что роторы получают вращение посредством индивидуального привода от общего трансмиссионного вала, соединенного через конический редуктор и карданную передачу с ВОМом трактора. Общий вал часто
служит опорой для шарнирной подвески рамы ротора с кожухом и выполняет
функции несущей конструкции машины. Рабочие органы заглубляются под
действием веса всей секции. Шарнирное креплений секции к раме позволяет
рабочим органам лучше копировать микрорельеф обрабатываемой поверхности.
В лесных питомниках применяются культиваторы КФП-1,5, КФП1,5А, которые по своему устройству аналогичны устройству фрезерной машины ФПШ-1,3. Устройство культиватора КГФ-2,8 аналогично фрезе ФПШ200.
Таблица 1.8 - Техническая характеристика лесных культиваторов
[12,13,16,20,21]
Показатели
КФП1,5
Ширина захвата, м
1,25
Глубина обработки До 10
почвы, см
Производительность
0,5
за час чистой работы,
га
Рабочая скорость, м/с
КФУ-1,5
1,5
4 - 13
1,4 км.
пог
КФВ3,6
3,6
8 - 18
КРМ0,5
0,5
3-8
КРЛ1А
0,6 – 0,8
3-8
КФП1,5А
1,5
До 10
КГФ2,8
2,8
До 8
2,5
0,19
0,8 –1,0
0,62
2,0
1 – 3,2
7,5
0,2 – 0,7
Т-16М
Т-25, Т40
300
МТЗ80
1100
345
350
2,0
Ширина
междурядий, м
Агрегатируемый
трактор
0,22
0,22
сплош
Т16М
Т-40,
МТЗ-80
Т-150
Т-150К
Масса, кг
345
1120
Двиг.
«Дру
жба»
Культиватор ротационный лесной КРЛ-1 предназначен для рыхления
почвы и уничтожения сорной растительности в рядах посадок высотой 10 –
100 см. Снабжается двумя сменными рабочими органами и двумя каркаснопроволочными органами.
Фрезерные культиваторы КФП-1,5 и КФП-1,5А применяются в лесных питомниках для междурядной обработки почвы и уничтожения травянистой растительности при уходе за одно-трехлетними сеянцами хвойных и
лиственных пород деревьев высотой до 0,5 м. Секции барабана могут переставляться вдоль оси вала по шпонке и фиксироваться в необходимом положении. Рама культиватора шарнирно навешивается на продольные брусья
шасси. Ротор с помощью двух поводковых брусьев шарнирно присоединен к
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
31
рукавам редуктора, смонтированного на раме культиватора. Вращение к рабочим органам передается посредством цепной передачи.
Фрезерный культиватор-гребнеобразователь КГФ-2,8 используется
для нарезки гребней при выращивании сеянцев на гребнях. Высота гребней
12 – 18 см. Культиватор снабжается набором сменных рабочих органов. Пять
роторов с ножами рыхлят поверхность гребней перед посевом семян или междурядья при уходе за сеянцами. Дополнительно культиватор снабжается
окучниками. Технические характеристики роторных питомниковых культиваторов приведены в таблице 1.9.
Технологические преимущества роторных машин для междурядной
обработки перед обычными заключаются в лучшем качестве рыхления почвы, более полном уничтожении сорняков и образовании в междурядьях толстого мульчирующего слоя.
Машины для междурядной обработки применяются в садах, ягодниках, лесном хозяйстве, а также для обработки пропашных культур в сельском
хозяйстве. Машины выпускаются навесными, полунавесными и самоходными. Прицепные машины в последнее время в садах, парках, ягодниках, лесных питомниках и виноградниках не применяются, вследствие их ограниченной маневренности. В сельском хозяйстве для междурядной обработки
пропашных культур используют быстроходные фрезы с горизонтальной
осью расположения роторов. Они предназначены для рыхления верхнего
слоя почвы и уничтожения сорняков.
Ростовским заводом «Красный Аскай» (г. Ростов-на-Дону) выпускает
тяжелый роторный культиватор КФ-5,4 (рисунок 1.13) для послойной обработки уплотненных, тяжелых по механическому составу почв. Может применяться для междурядной обработки с шириной междурядий 0,45 м. Имеет 12
роторов с шестью ножами на каждом, по три ножа в плоскости. Ширина захвата одного рабочего органа составляет 240 мм, а расстояние между соседними рабочими органами находится в пределах 150 мм. Для повышения износостойкости лезвия ножей наплавляются твердым сплавом. Роторные рабочие органы культиватора получают вращение от вала отбора мощности через карданный вал 5, редуктор 6, трансмиссионный вал 2 и цепные передачи
7. Секционное устройство культиватора обеспечивает лучшее копирование
микрорельефа поверхности поля. На ведущем валу привода секций установлен предохранитель на 200 – 250 Н ⋅ м, который защищает конструкцию от
перегрузок. Каждый рабочий орган имеет кожух, шарнирно прикрепленный к
корпусу привода секции и защищающий культуры от повреждения ножами и
засыпания почвой. В рабочее положение культиватор опускают только с
вращающимися роторами. Обработку ведут по следу сеялки.
Для агрегатирования с тракторами класса тяги 2 Киевским АО «Киевтрактородеталь» изготовляется культиватор КВФ-2,8. Культиваторы фрезерные универсальные КФУ-2,8, КФУ-1,8 и их модификации используются для
предпосевной обработки почвы с измельчением растительных остатков,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
32
удобрений и гербицидов. Заменяют комплексы машин, включающие в себя
плуг, дисковую борону, культиватор, выравниватель и каток. Их применение
повышает урожайность на 10 – 15 %. Разработаны агрофирмой «Агромеханика» при участии ВИМ (г. Москва).
Культиваторы вертикально-фрезерные КВС-1,7, КВС-1,4, КВС-3
(разработчик – ГСКБ по культиваторам и сцепкам, г. Ростов-на-Дону) используются на мелкоконтурных полях и в личных подсобных и фермерских
хозяйствах для предпосевной и предпосадочной обработки почвы в зонах
возделывания картофеля, овощей и других сельскохозяйственных культур.
Могут переоборудоваться для полосной обработки почвы. Агрегатируются с
тракторами Т-25, Т-40, ЛТЗ-55, МТЗ-102 и др.
Казанским моторостроительным производственным объединением
выпускается культиватор КФ-300 с вертикальными роторами. Используется в
овощеводстве по голландской технологии. Применяется для междурядной
обработки.
1
450
2
3
4
5
6
135
7
8
450
240
150
Ñõåìà ðîòîðíîãî êóëüòèâàòîðà ÊÔ-5,4
1 - ðàìà êóëüòèâàòîðà; 2 - âàë òðàíñìèññèîííûé; 3 - êîëåñî îïîðíîå;
4 - êðîíøòåéí îïîðíûé; 5 - âàë êàðäàííûé; 6 - ðåäóêòîð;
7 - ïåðåäà÷à öåïíàÿ; 8 - ðîòîð
Рисунок 1.13 – Схема машины для междурядной обработки
пропашных культур
В садовом культиваторе ось вращения ротора располагается параллельно стволу дерева. Это конструктивное отличие позволяет использовать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
33
его для обработки приствольных полос, облегчает копирование защитной зоны. Такой культиватор может двигаться под кронами деревьев. Для защиты
стволов деревьев на валу ротора устанавливается эластичный обод 5 (рисунок 1.14). Привод ротора осуществляется цепной передачей 3. Конструкция
вертикального ротора позволяет более просто устанавливать закономерность
изменения угла атаки ножа.
Общий анализ рабочих органов с вертикальными роторами показывает, что они отличаются повышенной энергоемкостью процесса измельчения
почвы, но позволяют проводить обработку вплотную к растениям, не повреждая их. На роторах с вертикальной осью вращения получили распространение ножи прямой или винтовой формы. Такие рабочие органы обеспечивают
лучшее перемешивание, крошение почвы и заделку растительных и древесных остатков. Машины для междурядной обработки почвы работают на скоростях больших, чем машины для сплошной обработки почвы. Рыхлят они,
главным образом, верхний слой почвы. При своей работе роторы с вертикальной осью вращения не создают тягового сопротивления, что необходимо
учитывать при их расчетах.
1
3
2
4
5
6
7
Ñõåìà ñàäîâîãî êóëüòèâàòîðà ñ âåðòèêàëüíûì ðîòîðîì:
1 - âàë êàðäàííûé; 2 - ðåäóêòîð; 3 - ïåðåäà÷à öåïíàÿ; 4 - âàë ðîòîðà;
5 - ñâîáîäíî âðàùàþùèéñÿ ýëàñòè÷íûé îáîä äëÿ îáõîäà ñòâîëà
äåðåâà ïðè êîïèðîâàíèè çàùèòíîé çîíû
6 -ðîòîð; 7 - íîæè ðîòîðà
Рисунок 1.14 – Схема садового культиватора с
вертикальной осью вращения
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
D
a
H
34
Рисунок 1.15 - Основные параметры роторов с вертикальной осью
вращения
На рисунке 1.15 показаны основные параметры роторных рабочих органов с вертикальной осью вращения. Изготовляют ножи роторов для междурядной обработки из тех же материалов, что и ножи почвообрабатывающих машин для сплошной обработки почвы.
1.2 Анализ конструкций рабочих органов машин
для ухода за лесом
Роторные рабочие органы широко представлены в комплексе машин
для расчистки земель от древесно-кустарниковой растительности. Для этого
используются фрезерный кусторез КФМ-2,8, а для глубокого фрезерования
кустарника фрезеры - МНФ-500А, МТП-42А, МТП-44А и др. Поверхностное
фрезерование кустарника осуществляется фрезерами ФКН-1,7, МТП-42А и
МТП-44А. Кроме вышеуказанных машин, для расчистки земель от крупного
кустарника и мелколесья используются фрезер МНФ-500А с шириной захвата 2,3 м и глубиной фрезерования до 0,6 м.
Для рыхления дернового слоя в целях аэрации почвы и уничтожения
кротовых кочек применяется фреза ФП-4,2. Для разработки мерзлых почв и
удаления крупных пней используется щелерезно-фрезерная машина ЩФМ-30,8. Разработана машина КМ-595 для строительства зарядных траншей с глубиной щели 1,8 м и шириной 0,25 м. Эта машина навешивается на экскаватор ЭТР-204. Производительность данной машины - 0,8 км пог. в час в талых
грунтах и 0,1 – в мерзлых. Для сплошного глубокого фрезерования торфяни-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
35
ков используется фрезерная машина ФКН-1,7.
На рисунке 1.16 показана конструкция машины МТП-43, которая применяется для срезания кустарника и мелколесья диаметром до 25 см и высотой до 16 м. Рабочее оборудование монтируется на базе крана КПТ-1, имеющего дизель-генератор. Диаметр фрезы - 1500 мм, частота вращения - 590
мин-1. Привод осуществляется от электродвигателя мощностью 30 кВт. Машина срезает деревья полосой шириной 16 м и укладывает в пакеты.
1
4
2
3
Ñõåìà ìàøèíû ÌÒÏ-43:
1- ðàìà; 2 - ôðåçà; 3 - ñòðåëà; 4 - áàçîâàÿ ìàøèíà
Рисунок 1.16 - Схема машины для лесорасчистки
Для первичной обработки закустаренных и торфяных почв применяется машина МТП-42 (рисунок 1.17). Эта машина фрезерует за один проход
заросшие кустарником и минеральные почвы на глубину 18 – 20 см, а торфяные – на 40 см. Корни и кустарник измельчаются и перемешиваются с почвой. Машина может фрезеровать пни и выравнивать поверхность обработки.
После работы данной машины можно производить посев лесных семян. Производительность машины составляет 0,06 – 0,1 га/час.
Рабочий орган машины выполнен в виде полого сварного цилиндра с
приваренными к нему державками для тарельчатых ножей. Режущие кромки
ножей по мере их износа можно поворачивать. Ножи можно быстро переустанавливать при ремонте. Режущие кромки ножей наплавлены твердым
сплавом. При работе машины на минеральных почвах тарельчатые ножи заменяют на самозатачивающиеся. Глубина обработки почвы устанавливается
опусканием фрезы при помощи гидроцилиндров. Диаметр фрезы по концам
ноже составляет 800 мм. Привод рабочих органов осуществляется от ВОМа
трактора через карданные валы и редукторов. Редуктор фрезы вмонтирован
непосредственно в корпус фрезы. Позади фрезы к поперечной балке машины
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
36
прикреплена сепараторная решетка для того, чтобы измельченные частицы
почвы и древесины не разлетались, а задерживались на почве.
1
2
3
Ñõåìà ìàøèíû ÌÏÒ-42
4
9
5
6
7
10
8
14
13
12
Рисунок 1.17 - Машина для глубокого фрезерования кустарника: 1 –
отвал; 2 – ограждение карданного вала; 3 – вал карданный; 4 – катки опорные передние; 5 – редуктор цилиндрический; 6 – кожух; 7 вал карданный; 8 – рама; 9 – плиты
отбойные; 10 – редуктор конический; 11 – редуктор бортовой; 12 – роторный рабочий орган; 13 – гидроцилиндр; 14 – каток опорный задний
Для измельчения пней в лесном хозяйстве применяют машину с роторным рабочим органом МУП-4 (рисунок 1.18). Базовой машиной является
трактор ЛХТ-55. Роторный рабочий орган выполнен в виде усеченного конуса, основанием которого служит цилиндр с двумя подрезными ножами 8, установленными диаметрально противоположно на его торце. На образующей
конической поверхности фрезы 10 установлены скалывающие ножи 9. Привод рабочего органа осуществляется от ВОМа коробки передач трактора через раздаточную коробку, карданную передачу, редуктор. Ширина обрабатываемой полосы составляет 2,6 м. Частота вращения ротора – 730 мин-1. При
взаимодействии рабочего органа с предметом труда подрезные ножи режут
поперек волокон, а скалывающие – строгают пень, отбрасывая стружку в
сторону. Производительность – 80 пней в час.
К рабочим органам третьей группы относят рабочие органы машин
для рытья канавок сравнительно небольшого сечения, Такая технологическая
операция в сельском хозяйстве используется при борьбе с сельскохозяйственными вредителями, например, с жучком-долгоносиком. Роторные канавокопатели такого типа выполняют навесными или прицепными. Роторы снабжаются Г-образными ножами и, как правило вращаются вокруг горизонтальной оси, направленной перпендикулярно направлению движения агрегата.
Измельченная почва специальными отвалами выносится в сторону от канавы.
Примером конструктивного исполнения канавокопателей такой группы может служить фрезерный канавокопатель КФ-30Б (рисунок 1.19).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
37
Рабочие органы таких машин устроены аналогично рабочим органам
почвообрабатывающих фрез и приводятся в действие от ВОМа трактора через карданную передачу и редуктор. Технические характеристики роторных
канавокопателей, используемых для рытья небольших канав, приведены в
таблице 1.9.
7
6
à)
1
5
4
3
2
2
á)
Ñõåìà ìàøèíû äëÿ óäàëåíèÿ ïíåé ÌÓÏ-4:
à) ñõåìà ìàøèíû; á) ñõåìà ðàáî÷åãî îðãàíà:
8
9
1 - ðàçäàòî÷íàÿ êîðîáêà; 2 - êàðäàííàÿ ïåðåäà÷à;
3 - áëîê ïîâîðîòíûõ ðåäóêòîðîâ; 4 - ñòðåëà;
5 - ïðîìåæóòî÷íûé âàë; 6 - ôðåçà; 7 - ðåäóêòîð;
8,9 - ñêàëûâàþùèå è ïîäðåçàþùèå íîæè ôðåçû; 10 - îáðàçóþùèå
10
Рисунок 1.18 – Схема машины для фрезерования пней
Для очистки каналов большого размера от заиления и травянистокустарниковой растительности применяют каналоочистители. На рисунке
1.20 показан каналоочиститель МР-12А. Сменными рабочими органами машины являются шнек с метателем, фреза, землесос, окашивающий рабочий
орган и поворотный ковш.
Шнек с метателем используется для очистки кналов от заиления и
наиболее эффективен при работе при уровне воды 10 - 20 см. Привод рабочего органа осуществляется от гидромотора. Монтируется на ширины 0,4 и 0,6
м по дну канала, очищаемого за один проход.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
38
Таблица 1.9 - Технические характеристики сельскохозяйственных
роторных канавокопателей [7,29]
Параметры
КФ-30А
КФ-30Б
КНК-15
КФН1200
30
15
1060
160
30
15
1060
160 –1 70
16
6
560
480
120
20 - 30
2500
71
1,0
1,0
0,95
1,03
3,65
3,6
3,4
3 – 4,2
ДТ-75, МТЗ
МТЗ-80
МТЗ
Т-170
4500
1460
1840
750
3970
1290
1350
470
1700
850
1200
205
9275
4050
3380
2850
Размеры канавы:
глубина;
ширина
Диаметр ротора, мм
Частота вращения ротора,
мин-1
Поступательная скорость
агрегата, м/с
Производительность за
час чистой работы, км
Агрегатируемый трактор
Габариты в рабочем положении, мм:
длина;
ширина;
высота
Масса конструктивная. кг
1
2
3
4
5
6
Íàâåñíîé ôðåçåðíûé êàíàâîêîïàòåëü ÊÔ-30Á
1 - íàâåñíîå óñòðîéñòâî; 2 - ïåðåäà÷à êàðäàííàÿ; 3 - ðàìà;
4 - íîæ ôðåçû; 5 - ðåäóêòîð; 6 - îòâàëû
Рисунок 1.19 - Сельскохозяйственный фрезерный канавокопатель
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
39
Фрезерный рабочий орган применяется для очистки дна мелиоративных каналов малой глубины, не залитых водой. Орган состоит из фрезы в
сборе с редуктором и кожухом. Ротор состоит из диска с тремя радиально
расположенными лопатками с плоскими ножами. В промежутках между лопаток расположены малые ножи. Привод – гидравлический. Рабочий орган
для окашивания состоит из диска, лыжи , корпуса и направляющих. По периферии диска расположены съемные ножи. Опора позволяет рабочему органу копировать микрорельеф обрабатываемой поверхности. Режущие кромки ножей защищены решеткой. Механические грабли удаляют скошенную
растительность на берму канала. Производительность фрезы диаметром 1,2 м
и частотой вращения 5 об/с составляет до 70 м3 в час. Все рабочее оборудование монтируется на тракторе ЛХТ-55.
6
4
7
3
5
1
8
2
Ñõåìà êàíàëîî÷èñòèòåëÿ ÌÐ-12À:
1 - ðàáî÷èé îðãàí ðîòîðíîãî òèïà
3,4,7 - ãèäðîöèëèíäðû ïðèâîäà
6 - ñòðåëà; 8 - õîäîâàÿ ñèñòåìà
Рисунок 1.20 – Каналоочиститель МР-12А
Роторные рабочие органы широко представлены в машинах для борьбы с лесными пожарами. Принцип их работы основан на грунтометании и
прокладке минерализованных полос. По сравнению с машинами, снабженными рабочими органами пассивного типа, роторные рабочие органы повышают производительность труда в 3 – 4 раза. В лесном хозяйстве давно применяются мощные полосопрокладыватели роторные ПФ-1 и грунтомет ГТ-3.
Полосопрокладыватель ПФ-1 используется в лесном хозяйстве для
создания и подновления широких защитных и заградительных полос для
профилактики пожаров, а также для локализации и борьбы с пожарами. Схема полосопрокладывателя показана на рисунке 1.21. Роторный рабочий орган состоит из двух фрезерных головок, каждая из которых имеет по четыре
шарнирно подвешенных ножа. Роторы вращаются навстречу друг другу в
одной плоскости и образуют в почве борозду глубиной до 20 см и шириной
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
40
до 120 см. Шарнирное крепление ножей предохранят их от поломок при
встрече трудноизмельчаемых включений в почве. Защитный кожух ограничивает разброс измельченной почвы. Агрегатируется с трактором ЛХТ-55.
Частота вращения рабочего органа составляет 18 сек-1, диаметр фрезы – 0,57
м. Общая ширина полосы – до 10 м [13].
Грунтомет ГТ-3 используется в лесном хозяйстве для активного тушения низовых пожаров и прокладки минерализованных полос. Агрегатируется с трактором Т-150К. Роторный рабочий орган фрезерного типа снабжен
режущими ножами при своем функционировании образует в почве борозду
глубиной 25 см и шириной 75 см. При работе грунтомета измельченная минерализованная почва выбрасывается на расстояние до 40 м. Частота вращения рабочего органа составляет 10 с-1, а диаметр – 0,75 м [13].
Рисунок 1.21 – Схема полосопрокладывателя ПФ-1 [13]:
1 – корпус; 2 – вал карданный; 3 – устройство навесное; 4 – редуктор; 5 –
передача; 6 – кожух защитный; 7 – муфты предохранительные; 8 – роторный рабочий орган; 9 – каток упорный; 10 – навеска на трактор
Для мобильной доставки противопожарной техники к месту лесных
пожаров применяются малогабаритные лесопожарные агрегаты АЛК-25,
АЛФ-10, АЛГ – 57 на базе АСУ-57 и другие, разработанные
ВНИИПОМлесхозом (г. Красноярск).
На рисунке 1.22 показан лесопожарный агрегат ПЛМ-0,4 со сменным
оборудованием на базе мотоблока «Кутаиси – Супер - 610». Он предназначен
для механизации трудоемких работ при тушении лесных пожаров – прокладки опорных минерализованных полос, нарезки щели для заглубления эла-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
41
стичного шнурового заряда, транспортировки груза, подачи воды на кромку
пожара или в емкость из источника, заточки ручного инструмента. Может
доставляться к месту пожара вертолетом. Роторный рабочий орган фрезерного типа режущими ножами измельчает почву и образует минерализованную полосу. Диаметр роторов – 240 мм. Производительность за час работы
при прокладке полос составляет до 1,0 пог км. Масса вместе с мотоблоком –
250 кг.
Лесопожарный фрезерный агрегат АЛФ-10 на базе колесного трактора Т-40 (рисунок 1.22) применяется для прокладки заградительных и опорных минерализованных полос при тушении лесных пожаров, создания и подновления минерализованных полос при проведении противопожарных работ.
Роторный рабочий орган фрезерного типа прокладывает борозду глубиной 18
см и шириной 60 см. Общая ширина минерализованной полосы составляет до
10 м.
Рисунок 1.22 – Малогабаритный лесопожарный агрегат ПЛМ-0,4
( по материалам выставки «Лесдревмаш – 89»)
Производительность агрегата за час работы составляет от 2,0 до 2, 8
пог км.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
42
Рисунок 1.23 – Лесопожарный агрегат АЛФ-10
( по материалам выставки «Лесдревмаш – 89»)
Отдельно следует остановиться на анализе конструкций роторных рабочих органов мобильных машин, предназначенных для ухода за лесом. Суть
технологического процесса, выполняемого этими машинами, заключается в
измельчении лесной почвы с порубочными остатками, древесно- растительной массой, кустарником, опавшими листьями и хвоей, ветками деревьев и
кустов, корневой системой растений. Такой процесс в зарубежной литературы носит название лесохозяйственное мульчирование. Выполнение подобного ухода за лесом существенно повышает его продуктивную способность и
внешний вид. Особенно желательна подобная процедура для лесопарков и
парков, сильно подвергнувшихся антропогенному воздействую и с уплотненной почвой. В нашей стране такие машины широкого распространения не
получили. Из серийно выпускаемых лесохозяйственных машин с большой
натяжкой к ним можно отнести фрезерные машины. Для дробления лесных
порубочных остатков в нашей стране налажен выпуск стационарных рубительных машин ( конструкции рабочих органов таких машин будут рассмотрены далее).
Серийно выпускается роторный рубщик коридоров РКР-1,5, предназначенный для срезания около рядов дуба с междурядьями не менее 3 м поросли древесных пород коридорами шириной 1,5 м, с измельчением срезанного материала и оставлением его на месте. Рабочий орган рубщика коридоров представляет собой роторный барабан с закрепленными на нем ножами,
приводимого в действие от ВОМа трактора через карданную передачу и ре-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
43
дуктор. Агрегатируется с трактором МТЗ-80. Может срезать поросль высотой от 0,1 до 0,4 м. Производительность за смену составляет 8,4 пог. км.
Рабочий орган многоцелевого мульчирователя для расчистки лесных
земель, выпускаемого фирмой «Триумф Машинери» (США), представляет
собой цилиндрическую фрезу шириной 1,5 м, снабженную 38 ножами. Для
уничтожения кустарника и порубочных остатков в машине «НациональХудо-Акс» установлен мощный режуще-дробящий роторный механизм
(диаметр 1 м), вращающийся в горизонтальной плоскости, а по периметру
прикреплены три больших ножа. Машина «Роуер» (США) оборудована фрезерным барабаном, по периметру которого шарнирно установлены Побразные ножи с двухсторонней заточкой (по проспекту фирм).
Рабочий орган универсального лесохозяйственного мульчирователя
(UFM), выпускаемого фирмой «Вилибальд» (ФРГ), - горизонтально установленный барабан, набранный из дисков, на которых посредством осей шарнирно установлены Г-образные измельчающие элементы, выполненные из
специальной износостойкой стали. Ширина захвата рабочего органа составляет 2,6 м. Машина может применяться для измельчения пней (по проспекту
фирмы).
Анализ конструкций роторных рабочих органов зарубежных лесохозяйственных мульчирователей показывает, что чаще всего это ротор в виде
трубчатого вала с массивными цапфами, ввариваемыми в трубу. Измельчающие элементы по окружности ротора обычно располагаются через 180,
120, 90 и 60 градусов, а вдоль него – в шахматном порядке так, что каждый
последующий ряд перекрывает зазоры между измельчающими элементами
предыдущего ряда. Количество измельчающих элементов на роторе может
составлять от десятков до сотен.
1.3 Анализ конструкций рабочих органов для измельчения
стебельчато - волокнистых материалов и древесины
К рабочим органам подобного типа относятся рабочие органы для
измельчения предмета труда методом резания пуансоном. Распространены в
машинах для измельчения стебельчато-волокничтых материалов и древесины. Процесс резания рабочими органами выполняется без скольжения и со
скольжением. В зависимости от угла скольжения между вектором нормальной относительно лезвия силы и направлением движения ножа различаются
три случая резания лезвием: 1) нормальное (рубка); 2) наклонное; 3) скользящее. При скользящем действии происходит перемещение измельчаемого
материала относительно ножа (перепиливание). Процессы резания в аппаратах второго класса происходят со снятием стружки. Анализ условий резания
показывает, что для измельчения материала методом резания определяющими факторами являются: нормальное давление на материал; скольжение но-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
44
жа относительно материала; защемление материала; скорость резания; физико-механические свойства измельчаемого материала; геометрические параметры ножа [2,3,4,6].
Теория функционирования рабочих органов второго класса достаточно изучена (В.П. Горячкин, В.А. Желиговский, Н.Е. Резник, В.А. Ясенецкий
и др.). Экспериментально установлено, что с увеличением скорости резания
усилие резания и работа резания в диапазоне скоростей до 22 м/с уменьшается, а потом возрастает. По мнению Н.Е. Резника, оптимальной по критерию
энергозатрат является скорость резания 35 – 45 м/с. Доказано, что на процесс
резки существенное влияние оказывают конструктивные параметры режущей
пары и ее техническое состояние. Достаточной считается острота лезвия в
пределах 20 – 40 мкм, а если она достигает значений более 100 мкм, то нож
необходимо перезатачивать [30,31]. Для кормоизмельчающих ножей углы
заточки регламентируются стандартами.
Анализ конструкций рабочих органов кормоизмельчающих машин
показывает, что конструктивно аппараты выполняются в виде барабанов,
дисков и роторов.
1.3.1 Анализ конструкций рабочих органов барабанного типа
Определяющими параметрами барабанных режущих аппаратов являются диаметр измельчающего барабана и высота расположения горловины
относительно оси вала барабана. Для обеспечения равномерной нагрузки на
вал барабана ножи на развертке барабана устанавливаются с перекрытием,
равным толщине слоя корма. Число ножей на барабане устанавливается четным и составляет от 2 до 12. Широко применяются прямые ножи, характеризующиеся простотой изготовления, монтажа, регулировки зазора и заточки.
Частота вращения барабанов достигает значения 1500 мин-1. В кормоизмельчающих аппаратах барабанного типа резание осуществляется главным образом по принципу рубки при нормальном давлении на материал. Для снижения энергоемкости измельчения используются ножи, изогнутые по винтовой
линии и расположенные под углом к образующей барабана. Сила резания
при применении таких ножей имеет две составляющих, одна из которых оказывает на материал рубящее действие, а другая – резание со скольжением.
Барабанные измельчающие рабочие органы нашли широкое применение в
соломосилосорезках. Для дисковых измельчающих аппаратов определяющими параметрами являются размеры горловины для подачи материала в измельчитель, расстояние от оси вращения до противорежущей пластины, вылет и геометрическая форма ножа. В режущих дисковых аппаратах кормоуборочных машин применяются ножи с прямым или криволинейным лезвиями. Как доказал В.П. Горячкин, эффективной формой кривой является Архимедова спираль. При конструировании используют наиболее подходящую к
рекомендуемой спирали дугу эксцентричной окружности. Очень часто в ра-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
45
бочих органах дискового типа применяются ножи с прямолинейными лезвиями.
В кормоуборочных комбайнах широко применяются измельчающие
рабочие органы чаще всего дискового или барабанного типа. Технические
параметры измельчающих аппаратов кормоуборочных комбайнов приведены
в таблице 1.10.
Таблица 1.10
Параметр
-
Конструктивные параметры измельчающих рабочих
органов кормоуборочных машин [2,3,30,31]
Марка машины
КСК110А
Тип аппарата
Диаметр ротора, мм
750
Длина ротора, мм
650
Частота вращения,
960
-1
мин
Число секций и но1х12
жей
Пропускная способность, кг/с :
на уборке кукурузы 25
на кошении трав 10
на уборке кукурузы
с дроблением
Длина резки, мм
5 – 25
КСГ
ПолеФ-70 сье 700
Цилиндрический
750
630
650
700
960
1000
КСС2,6А
КГ- КСД
6
-2
Дисковый
110
700
400
2660
1150
1000
950
1х12
4х10
4х6
12
6
19
8
30
15
20
12
25
12
12
5
5 – 25
4 – 30
20
5–
30
+
20 –
40
-
12/15
10/2
0
8/25
121
184
60
Приц
П/н
Приц
Наличие металлоде+
тектора
Скорость движения 12/22
9/14
10/20
базовой машины
(раб/трансп), км/ч
Мощность двигателя 147
147
206
комбайна, кВт
Способ агрегатироСамоходные
вания
-
ZЕ350 281
Барабанный
620
620
800
500
500
600
1187 1080 914
Z-340
1х8
1х8
1х12
+
+
+
Самоходные
Ножи и противорежущие элементы в кормоуборочных комбайнах оснащаются пластинами из твердого сплава (карбид вольфрама или хрома).
Комбайны снабжаются специальными приспособлениями для заточки ножей.
Измельчающие аппараты подобного типа позволяют изменять длину резки в
широких пределах путем изменения частоты вращения, скорости подачи измельчаемого материала питающим рабочим органом и изменением числа
ножей.
Рассмотренные выше рабочие органы обеспечивают высокое качест-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
46
во измельчения кормов при невысокой энергоемкости, но имеют низкую надежность при попадании в них трудноизмельчаемых предметов (камней).
Измельчающий рабочий орган ранее выпускаемого кормоуборочного
комбайна КУФ-1,8 представлял собой вал, на котором закреплены жестко несущие диски, к которым прикреплены восемь съемных лопастей с регулируемыми ножами. Противорежущий элемент выполнен в виде пластины с четырьмя рабочими гранями. По мере износа одной режущей грани пластину
переворачивают. В комбайне КСК-100 измельчающий барабан выполнен в
виде трубчатого вала с приваренными к нему стальными дисками с прикрепленными к нему опорами с плоскими ножами. Длина резки регулируется изменением частоты вращения барабана и изменением количества ножей. Зазор
между ножами и противорежущим брусом составляет 0,5 – 1 мм. Комбайны
Z-340 и Z-350 (Польша) снабжены роторной косилкой, применяемой для
кошения трав в валки. Комбайны КСК-Ф-250 и Е-282 снабжены доизмельчающим устройством – дробилкой. Эти комбайны снабжены магнитными
улавливателями инородных предметов в измельчаемой массе. Кормоуборочный комбайн «Полесье 700» снабжается сменными адаптерами: роторной
жаткой для кукурузы, жаткой платформенной для кукурузы; жаткой для кошения трав; подборщиком. Комбайн КСД-2 снабжается жаткой с цеповым
режущим аппаратом.
Анализ конструктивных особенностей рабочих органов машин для
измельчения кормов показывает, что встречается большое число различных
рабочих органов одного и того же назначения. Это явление обуславливается
широким диапазоном изменения размерных и физико-механических свойств
предмета труда даже в одном и том же месте в зависимости от погодных условий. Несмотря на это, во многих случаях может быть дана общая классификация измельчающих рабочих органов.
1.3.2 Анализ конструкций рабочих органов роторного типа
В сельскохозяйственных кормоуборочных машинах роторные рабочие
органы могут выполнять несколько технологических функций. Например, в
роторных косилках-измельчителях типа КИР-1,5 и в зарубежных кукурузоуборочных комбайнах (Z-340, Z-350, Zemun-Zmai) роторы выполняют функции режущих и измельчающих рабочих органов.
Основным рабочим органом роторных измельчителей кормов выступает ротор с шарнирно закрепленными ножами. Такие рабочие органы обладают повышенной надежностью при простоте конструкции. По устройству
они значительно проще барабанных и дисковых измельчителей. В последние
годы роторные рабочие органы нашли широкое применение в отечественных
и зарубежных машинах для измельчения различных материалов. Особенно
широко они применяются в косилках для заготовки зеленых кормов. Технические параметры роторных рабочих органов, применяемых в косилках - из-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
47
мельчителях, приведены в таблице 1.10.
Роторный рабочий орган косилки-измельчителя КИР-1,5 представляет
собой трубчатый вал с шарнирно прикрепленными к нему ножами, имеющими двустороннюю режущую кромку (рисунок 1.24). При выполнении технологического процесса уборки кормовых культур роторный рабочий орган косит траву, измельчает ее и подает по силосопроводу в бункер. Привод рабочего органа осуществляется от ВОМа трактора класса тяги 1,4 – 3. Роторные
рабочие органы с шарнирно прикрепленными ножами надежны в эксплуатации. При попадании в них инородных предметов режущие элементы отклоняются от радиального направления и поломка не происходит. Роторный рабочий орган косилки ФГ-72 фирмы Гейл (США) выполнен в виде барабана с
шарнирно прикрепленными измельчающими элементами со швыряющими
лопатками, причем Г-образные ножи своей широкой стороной повернуты параллельно плоскости вращения, в результате чего они не создают значительного потока воздуха и меньше загрязняют измельченную массу почвой. К
технологическим недостаткам таких рабочих органов следует отнеси высокую загрязненность измельченной массы почвой и неоднородность измельчения. В конструкциях подобных рабочих органов практически исключена
возможность регулировки длины резки материала. Из таблицы 1.11 видно,
что однородность измельченных фракций различной длины невысокая.
5
1 - êîæóõ; 2 - âàë ðîòîðà;
3 - ðåæóùèé ýëåìåíò;
4 - ïðîòèâîðåæóùàÿ
ïëàñòèíà; 5 - òðóáà äëÿ âûáðîñà
èçìåëü÷åííîé ìàññû
4
3
2
1
Рисунок 1.24 – Схема роторного режуще – измельчающего
рабочего органа
Анализ конструкций роторных рабочих органов кормоуборочных
машин показывает, что измельчающие элементы, в зависимости от характеристик измельчаемого материала, конструктивно могут выполняться в виде
колунов (рисунок 1.25,а), снабженными вертикальными лезвиями 1, закреп-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
48
ленными на державках 2. Эти лезвия выполняют продольное расщепление
стеблей (колка). На периферийной части измельчающих элементов такого
типа устанавливаются сегменты 3 с наклонными лезвиями, осуществляющими наклонное резание поперек волокон стеблей. На рисунке 1.25,б показан измельчающий элемент, выполненный в виде лопатки 5, на периферии
которой расположены горизонтальные лезвия 4, осуществляющие нормальное резание стеблей и швыряние измельченной массы. Серповидные ножи
(рисунок 1.25,в) осуществляют продольное расщепление стеблей. Эти ножи
обладают малой парусностью, что при высоких скоростях движения ножей
снижает затраты энергии на аэродинамический эффект. Серповидные ножи
обладают меньшим швыряющим эффектом, что является положительным качеством при измельчении листовой массы.
Таблица 1.11 - Конструктивные параметры роторных рабочих органов
косилок – измельчителей [2,3]
Параметры
КИР-1,5Б
КИР-1,5
Ширина захвата, м
Производительность, га/ч
Рабочая скорость, км/ч
Диаметр ротора, мм
Ширина ротора, мм
Частота вращения, об/мин
Число ножей
Масса машины, кг
Параметры измельчения по
фракциям, %,
мм:
0-20
20-40
40-60
60-80
80-100
более 100
1,5
До 0,7
До 8
570
1440
1500
28
1800
1,5
До 0,7
3,5 – 8
570
1440
1410
28
950
ФГ-72
(«Гейл» США)
1,85
0,9-1,35
4–9
590
1850
1445
40
900
26,3
13
9,7
9,8
8,8
31,2
43,3
12,3
16,9
3,4
5,7
10,7
Анализ показывает, что измельчающие элементы роторных рабочих
органов зарубежных машин конструктивно крепятся к ротору различно (рисунок 1.26).
Фирмы «Ховард», «Вильдер» (Англия), «Тааруп» (Дания) в своих
машинах применяют составные измельчающие элементы, у которых режущая часть крепится к специальным держателям. Такая конструкция позволяет заменять режущую часть при ее износе или поломке.
Обычно измельчающие элементы роторов имеют гладкие острые
кромки. Однако в модели «Супер 60» фирмы «Фергюсон» (США) режущие
кромки ножей выполнены зубчатыми. Измельчающие элементы лопаткооб-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
49
2
5
1
4
3
6
â)
à)
á)
Рисунок 1.25 - Конструктивные схемы измельчающих элементов
роторных рабочих органов кормоуборочных машин
Äæîí Äèð (ÑØÀ)
Õîâåð Õàéòèìåð (Àíãëèÿ)
Ôåäêî (Àíãëèÿ)
Èô (Äàíèÿ)
Âèëüäåð (Àíãëèÿ)
Òààðóï (Äàíèÿ)
Рисунок 1.26 – Конструктивные схемы рабочих органов
измельчителей зарубежного производства
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
50
разной формы осуществляют не только измельчение, но и транспортирование измельченной массы в транспортное средство.
В измельчителях с двойным измельчением устанавливаются измельчающие элементы с режущей кромкой на боковой грани. Они обычно осуществляют поперечное и продольное измельчение. В кормоуборочных комбайнах фирм «Тааруп» и «Вильдер» измельчающие элементы крепятся к валу
посредством специальных штанг с коническими втулками. Измельчающие
элементы комбайнов фирмы «Джон Дир» (США) устанавливаются на ребра,
приваренные к валу.
В роторе комбайнов фирмы «Листер» (Англия) (рисунок 1.27) измельчающие элементы крепятся попарно к дискам на валу ротора. В измельчителях комбайнов фирмы «Нью Айдиа» (США) каждый измельчающий
элемент установлен между двумя дисками, приваренными к валу.
Ëèñòåð (Àíãëèÿ)
Ëåëè (Àíãëèÿ)
Íüþ Àéäèà (ÑØÀ)
Рисунок 1.27 – Схемы рабочих органов измельчителей
кормоуборочных машин зарубежных фирм
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
51
Общими недостатками вышеперечисленных измельчающих рабочих
органов является: прерывистость и неравномерность процесса измельчения,
что требует повышенных маховых масс несущих дисков; высокая энергоемкость процесса измельчения, обусловленная большой частотой вращения,
требуемой для надежного функционирования при пневматическом подпоре
предмета труда; относительно высокая загрязненность почвой измельченной
массы. Шарнирное крепление к ротору измельчающих элементов снижает
коэффициент полезного действия, повышает шумы и вибрацию.
1.3.3 Анализ конструкций рабочих органов для измельчения
древесной зелени
В лесном хозяйстве в машинах для измельчения вторичного сырья от
переработки деревьев (древесная зелень, хвоя, ветки, кора и др.) используются рабочие органы барабанного типа с шарнирно закрепленными ножами. Ресурсы древесной зелени в лесах России, по данным ВНИИПЭИИлеспрома,
только от рубок главного пользования и рубок ухода составляют более 20
млн. тонн хвойных пород и 5 млн. тонн мягколиственных пород. Для механизированной заготовки древесной зелени используются: 1) стационарные
хвоеотделители: ОДЗ-12А, ИПС-1, ОДЗ-3, ОИЗ-1, ОЗУ; 2) передвижные:
ОЗП-1, ОЗП-3, ОЗП-4М; 3) переносные: на базе бензопилы «Дружба» и др. В
таблице 1.12 приведены технические характеристики отделителей древесной
зелени [32,33,34].
Таблица 1.12 - Технические характеристики отделителей
древесной зелени [35,36,37]
Параметр
ОДЗ-3,0
ОЗП-1,0
ИПС-1
Тип машины и рабочего ор- Стационарный, Прередвижной, Стационарный,
гана
трехбарабанный прицепной,
дисковый
барабанный
Максимальный диаметр об120
80
50
рабатываемых веток, мм
Производительность, кг/ч
До 1000
До 2500
Мощность привода, кВт
7,5
5,5
Масса, кг
1300
1320
2400
На рисунке 1.28 показана конструктивная схема отделителя древесной зелени ОДЗ-3,0, состоящего из рам, транспортера, двух прижимных
вальцов, трех рабочих органов барабанного типа с шарнирно прикрепленными ножами и двух опорных вальцов. Приводные вальцы транспортеров приводятся в действие при помощи цепных передач, а рабочие органы – посредством клиноременной передачи от редукторов. Каждый рабочий орган имеет
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
52
свой привод. Направление вращения рабочих органов совпадает с направлением вращения вальцов и перемещением нижней ветви транспортера. Скорость вращения рабочих органов регулируется при помощи ременного вариатора в пределах от 700 до 1000 мин-1. Скорость вращения устанавливается в
зависимости от породного состава измельчаемых веток. На рабочем органе
установлены цельные износостойкие ножи. Скорость резания ножей находится в пределах от 9 до 20 м/с для сосновых веток, и 12 – 30 м/с – для еловых. Диаметр рабочих органов по концам ножей составляет 245 мм. Ножи
изготовляются и сталей марок У9, 65Г, 70Г. Твердость ножей после термообработки в зоне закаливания составляет не менее 50 – 57 HRC. Часто для повышения износостойкости и долговечности ножей, взаимодействующих с
древовидными остатками, применяют наплавки сплавом сормайт, смесью
сормайта с релитом в соотношении 1:1 с последующим горячим пластическим деформированием и другими твердыми сплавами [30].
2
3
4
5
6
7
1
ÎÄÇ-3,0
Рисунок 1.28 – Схема отделителя древесной зелени ОДЗ-3,0 [35]:
1 –рама нижняя; 2 –рама верхняя; 3 – транспортер; 4 – роторный рабочий орган;
5 – валец опорный; 6 – валец прижимной; 7 – предмет труда
Отделитель древесной зелени ОЗП-1,0 агрегатируется с трактором
МТЗ-80 и используется непосредственно на лесосеке или на верхнем складе.
Измельчитель – пневмосортировщик древесной зелени ИПС-1,0 используется
в стационарных условиях и снабжен сельскохозяйственным измельчителем
кормов КИК-1,4. В измельчителях древесной зелени измельчение осуществляется в основном методом ударного резания (конструкции таких измельчителей будут подробно рассмотрены в разделе 1.4).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
53
1.3.4 Анализ конструкций рабочих органов для
измельчения древесины
Для измельчения древесины с целью получения технологической щепы для химической переработки применяются стационарные и передвижные
рубительные машины. В лесоперерабатывающей промышленности на лесных складах наибольшее распространение получили дисковые рубительные
машины, а барабанные рубительные машины в основном используются для
измельчения порубочных остатков с целью выработки топливной щепы.
Особенностью технологического процесса нормального резания (рубки), выполняемого рабочими органами данных машин, является то обстоятельство,
что качество получаемой щепы строго регламентируется стандартами (ГОСТ
15815 – 70). Размеры и фракционный состав топливной щепы стандартами не
регламентируются.
Дисковые рабочие органы рубительных машин снабжены ножами,
расположенными на торцевой стороне диска, а барабанные – ножами, расположенными по образующей барабана.
На рисунке 1.28.а показана схема рабочего процесса, выполняемого
дисковым рабочим органом рубительной машины
4
1
3
2
á)
5
à)
6
1 - äèñê; 2 - íîæ; 3- ùåëü ïîäíîæåâàÿ; 4 - êîæóõ;
5 - æåëîá ïèòàòåëüíûé; 6 - íîæè óïîðíûå
â)
Рисунок 1.28.а – Схема рабочего процесса измельчения древесины:
а) общая схема работы дискового ножа; б) – схема измельчения древесины плоским диском; в) – схема измельчения древесины геликоидным диском
Дисковые рабочие органы в машинах для рубки древесины обычно
устанавливаются вертикально и вращаются с частотой от 150 до 500 мин-1.
Диаметр диска составляет от 1 до 3 м. На диске закрепляется от 3 до 16 прямых ножей, имеющих угол заострения 30 – 45 0. Обычно ножи располагаются
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
54
по радиуса диска или смещаются относительно радиального направления на
угол 10 – 15 0. Выступание режущей кромки ножа над поверхностью диска
устанавливается при помощи специальных подкладок. В диске изготовляется
сквозная щель (подножевая щель) для отвода стружки. Диск закрывается кожухом, а измельчающий материал подается к рабочему органу под действием силы тяжести по наклонному желобу, угол установки которого α1 составляет 45 – 50 0 (рисунок 1.28). По отношению оси вала в плане измельчаемое
полено подается под углом 15 – 50 0. Ножи отрезают от полена шайбы, которые тут же распадаются на куски (щепу) (рисунок 1.28, б).
В дисковых рабочих органах для измельчения древесины могут устанавливаться геликоидные ножи, выполненные по винтовой поверхности (рисунок 1.28, в). Такие ножи характеризуются равномерной силой резания и
однородным измельчением древесины.
Барабанные рабочие органы рубительных машин (рисунок 1.29,а) состоят из массивного стального барабана 1 диаметром от 0,3 до 1,0 м, вращающегося со скоростью от 600 до 900 мин-1. На периферии барабана по его
образующей установлено от 2 до 12 прямых ножей 2. Режущие лезвия ножей
выступают из барабана на величину h. Измельчаемый материал подается к
рабочему органу по желобу 3, расположенному под углом α к горизонту и
снабженному упорными ножами 4. Щепа поступает во впадины 5, расположенные перед ножами, и под действием центробежных сил выбрасывается в
желоб 6.
2
1
h
2
1
5
3
4
6
а)
б)
Рисунок 1.29 – Схема рабочего процесса измельчения древесины
барабанными рабочими органами
На рисунке показан пустотелый роторный рабочий орган рубительной машины. В них щепа поступает сквозь подножевые щели внутрь барабана и удаляется из него через открытый торец по лотку.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
55
При работе барабанных и дисковых рубительных машин осуществляется торцово-продольно-поперечное резание древесины.
В таблице 1.13 приведены конструктивные параметры рабочих органов рубительных машин для измельчения древесины.
Барабанные рубительные машины особенно распространены в ФРГ,
Финляндии, Швеции, Австрии и Италии. Потребность в измельченной древесине в этих странах почти полностью удовлетворяется за счет барабанных
рубительных машин.
Таблица 1.13 -
Конструктивные параметры рабочих органов
рубительных машин [36, 37]
Параметры
МРН-25
РМО-1600
МРГ-18
МРГ-35
Тип ножа
Геликоидный
16
Плоский
Геликоидный
3
12
1270
1600
75
55
730
25
Количество ножей
Диаметр ротора,
мм
Мощность привода, кВт
Частота вращения, мин-1
Производительность, пл.м3/ч
ЛО-56
Геликоидный
10
ДУ2М
Плоский
4
1600
600
900
55
125 - 250
55
500
675
585
600
585
9 - 12
18
35
12
18
Применяются машины для измельчения отходов низкой полнодревесности. К числу ведущих изготовителей в области барабанных рубительных машин следует отнести фирмы «Клекнер» и «Паллманн» (ФРГ), «Рауте»
(Финляндия), «Брукс» (Швеция), «Морбарк» (США). Свыше 100 типоразмеров рубительных машин выпускается этими фирмами. Рубительные машины
обеспечивают получение размеров технологической щепы 18 – 50 мм, топливной – 100 мм, кормовой щепы – 3 – 25 мм. Удельная энергоемкость получения древесной щепы составляет от 4 до 10 кВт⋅ ч /м3.
Для переработки сучьев, ветвей, коры, короткомерных отходов лесозаготовок и лесоперерабатывающих производств используются измельчители
роторного типа. В них резание древесины относительно направления волокон
носит стохастический характер. Щепа, получаемая в измельчителях, чаще
всего используется в качестве топлива. Рубительные машины, применяемые
на лесосеках, выполняются передвижными. Расход топлива в этих машинах
на измельчение древесины составляет 0,8 – 1,5 л/т.
Для измельчения целых пней на биржах канифольно-экстракционных
заводов применяются стационарные установки с фрезерным барабаном (скорость - 300 мин-1), на котором установлено 16 ножей. Производительность
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
56
данных рабочих органов составляет до 60 м3 в смену. На базе тракторатягача с манипулятором Т-157 монтируются для измельчения пней передвижные установки, имеющие ножевые роторные рабочие органы с производительностью до 8,3 м3/час.
Анализ литературных источников показывает, что размерные параметры рабочих органов рубительных машин являются максимальными из
имеющихся роторных рабочих органов. Металлоемкость подобных устройств также является максимальной. Рабочие органы как правило устанавливаются горизонтально.
1.4 Анализ конструкций роторных рабочих органов
ударно-измельчающего действия
В основе динамического процесса измельчения, выполняемого рассмотренными в данном разделе рабочими органами, лежит механизм разрушения упруговязкопластических материалов сжатием без заметного развития
пластических деформаций. Скорости взаимодействия рабочих органов с
предметом труда велики и могут достигать значений свыше 100 м/с (партерные газонокосилки). При таких скоростях разрушение материала происходит
за счет кинетической энергии измельчающих элементов за пределами упругой деформации в измельчаемом материале. Определяющим параметром для
оценки процесса измельчения выступает работа измельчения. Поскольку измельчение материала осуществляется главным образом за счет кинетической
энергии, то к самим измельчающим элементам предъявляются менее жесткие
технические требования, например, к остроте лезвия. Иногда острота лезвий
задается агротехническими требованиями к качеству среза (газонокосилки).
Конструктивно в качестве измельчающих элементов в таких рабочих органах
применяются ножи и молотки. Поскольку измельчение материала осуществляется за счет кинетической энергии измельчающих элементов, а не за счет
удельного давления, то в некоторых измельчителях ножи отсутствуют. В некоторых машинах применяются гибкие измельчающие элементы.
Теория резания лезвием для описания подобного процесса не годится
абсолютно. В основу теории разрушения хрупких материалов дроблением
положена функциональная зависимость между затраченной энергией и параметрами измельченного материала. Существует несколько теорий дробления:
П. Риттинберга – работа разрушения пропорциональна вновь образованной
поверхности; Кика-Кирпичева – работа разрушения пропорциональна деформированному объему; П.А. Ребиндера – работа разрушения материала
пропорциональна к площади вновь образованной поверхности и деформированному объему.
Сразу оговорим области применения вышеназванных теорий применительно к измельчению упроуговязкопластичных материалов. Теория КикаКирпичева полностью справедлива для первой стадии измельчения материа-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
57
ла, когда осуществляется деформация материала, а теория Риттингера – для
второй стадии ударного разрушения материала, когда происходит разделение
материала на части, образуются новые поверхности и преодолеваются силы
сцепления между частицами.
При рассмотрении процесса измельчения подобных материалов следует тот факт, что эти материалы обладают структурой, имеют анизотропные
и лабильные прочностные характеристики.
Рабочие органы, функционирующие на основе данного принципа, устанавливаются в измельчителях зерноуборочных комбайнов, в молотковых
дробилках, применяемых для измельчения кормов, древесных материалов,
отходов лесозаготовок, опавших листьев, хвои и т.п.
1.4.1 Анализ конструкций рабочих органов
измельчающих приставок
К рабочим органам, функционирующим по принципу ударного резания, относятся рабочие органы измельчителей зерноуборочных комбайнов.
Данные рабочие органы измельчают незерновую часть урожая (НЧУ). Первые измельчители ИНК-3,5 устанавливались в зерноуборочных комбайнах
СК-4 (Ростсельмаш). На смену им пришли измельчители соломы ИСН-3,5. В
настоящее время на комбайне «Дон-1500» устанавливается измельчитель
ПКН-1500. В данных рабочих органах используются вращающиеся барабаны
с шарнирно закрепленными ножами (резаками). Рабочий орган приспособления ПУН-5, навешиваемого на молотилку комбайна «Нива», представляет
собой барабан, состоящий из трубы, к которой приварены цапфы и несущие
диски, на которых закреплены прямоугольные ножи. Ротор снабжается противорежущим элементом. Для регулирования степени измельчения и расщепления соломы режущие кромки противореза либо приближаются к ножам
барабана, либо от него отдаляются. Дополнительно степень измельчения
можно регулировать установкой необходимого числа ножей на роторе. Комбайны, оборудованные роторными измельчителями, работают по двум технологическим схемам: с разбрасыванием НЧУ по полю и с укладкой НЧУ
(солому и полову) в валки с последующим подбором. Аналогичные измельчители устанавливаются в комбайнах «Енисей» и «Нива».
Измельчитель 54-136 устанавливают на комбайне СК-5, а измельчитель 65-136 – на комбайн СК-6. Роторный рабочий орган указанных измельчителей состоит из трубчатого вала с приваренными к нему кронштейнами,
на которых посредством осей шарнирно закреплены молотки. На краях вала
установлено по четыре молотка с большими лопастями. Концы молотков выполнены в виде вилок с заостренными концами (рисунок 1. 30). В таких измельчителях рабочие органы выполняют технологическую и транспортную
функцию.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
58
4
1
2
3
Ñõåìà ðîòîðà èçìåëü÷èòåëåé 54-136 è 65-136:
1 - âàë; 2 - êðîíøòåéí; 3 - ìîëîòîê ñðåäíèé; 4 - ìîëîòîê êðàéíèé
Рисунок 1.30 – Схема роторного рабочего органа измельчителей
комбайнов
В таблице 1.14 приведены основные конструктивные параметры измельчителей зерноуборочных сельскохозяйственных комбайнов.
Таблица 1.14 - Основные параметры измельчителей
и измельчи телей-эксгаустеров зерноуборочных комбайнов
[2,3,39,40]
Параметр
ПУН-5
54-136
65-135
ПКН1200
Производительность, кг/с
Средняя длина измельченной частицы соломы,
мм
Диаметр ротора, мм
Частота вращения, мин-1
Количество ножей (молотков), шт
Масса, кг
Длина ротора, мм
5
30 – 200
5
50
6,0
50
6,0
ПКН1500
«Дон»
8 – 10
600
2000
69
600
1870
34
600
1870
42
600
1946
600
1946
723
2800
600
2640
700
2640
750
2450
800
2450
Зерноуборочные комбайны снабжаются приставками пикерного типа
для уборки кукурузы на зерно или зерно-стержневую смесь. Так, комбайн
«Нива» снабжается приставкой ППК-4, «Дон-1550» - КМД-6, СК-10 «Ротор»
- КМР-6. В данных приставках измельчитель служит для измельчения листостебельной массы кукурузы и подачи ее по трубе в кузов транспортного
средства.
Рабочий орган представляет собой барабан, установленный в кожух,
состоящий из двух половин, стянутых болтами. Ротор состоит из трубчатого
вала с вваренными на его торцах цапфами. На валу жестко установлено четыре диска с закрепленными на них ножами – по четыре в каждой секции. На
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
59
ноже двумя болтами закрепляется лопатка. За счет овальности отверстий под
болты крепления ножей к дискам каждый нож может регулироваться и устанавливаться индивидуально. Ножи жестко фиксируются специальными болтами, упорными винтами и косыми шайбами. На ведущей цапфе ротора установлен шкив со встроенной обгонной муфтой. Для обеспечения износостойкости и самозатачивания режущие кромки ножей наплавлены твердым
сплавом. В таблице 1.15 приведены основные технологические и конструктивные параметры приставок к зерноуборочным комбайнам.
Таблица 1.15 - Основные параметры приставок
к зерноуборочным комбайнам [2,3,39,40]
Параметр
КМД-6
КМР-6
ППК-4
Рабочая ширина захвата, м
Производительность, га/ч
Диаметр ротора, мм
Длина ротора, мм
Частота вращения, мин-1
Расход топлива, кг/га (кг/т)
Количество частиц кукурузы размером до 30 мм и влажностью 62,7 %
4,2
1,0
450
650
1320
19,7 (5,4)
17,7 –
12,9
4,2
1,2
450
650
1270
17,0 (4,7)
18,7 – 21,3
2,8
0,8
400
650
1380
21,2 (5,8)
16,0 –
19,0
Все рабочие органы приставок к зерноуборочным комбайнам приводятся в действие от главного контрпривода комбайна. Зазор между ножами
барабана и противорежущими элементами задают в пределах 3 – 4 мм, регулируют перемещением подшипников барабана измельчителя и установкой
подкладок под опоры. При замене в измельчителе одного ножа для предотвращения дисбаланса заменяют также диаметрально противоположный нож,
предварительно подобрав его по массе. Балансировку барабана выполняют
установкой или снятием специальных грузов на дисках барабана. При заточке одного ножа аналогично затачивают диаметрально противоположный
нож.
1.4.2 Анализ конструкций рабочих органов молотковых дробилок
В молотковых дробилках процесс измельчения осуществляется влет и
истиранием. Частицы материала сепарируются в дробильной камере по размерам. Вращающийся слой материала окончательно истирается о молотки и
неподвижные части измельчителя и эвакуируется из рабочей камеры через
отверстия решет. Определяющим параметром измельчителей ударного типа,
определяющим эффективность рабочего процесса, является линейная скорость молотка. В современных конструкциях молотковых дробилок линейная
скорость молотков колеблется в пределах 40 - 120 м/с.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
60
Параметры рабочих органов машин для измельчения комбикормов
регламентируются стандартами. Устанавливаются типоразмеры измельчителей в зависимости от производительности. Конструкции молотковых дробилок очень разнообразны. Если проанализировать геометрическую форму молотков дробилок для измельчения кормов, то можно выделить формы молотков, показанные на рисунке 1.31.
Для измельчения зерна применяют молотки толщиной 1,5 – 4 мм,
выполненные из стали :65Г или 30ХГА с закалкой до температуры 880 0С, с
охлаждением в масле и последующим отпуском до 225 0С до твердости 390 –
475 НВ. На развертке ротора молотки устанавливают по винтовым линиям
двух- или трехзаходного винта.
1
2
3
4
5
6
Рисунок 1.31 - Геометрические формы измельчающих молотков
Конструкции дробилок весьма разнообразны. Остановимся на анализе
дробилок, применяемых в лесном хозяйстве. В таблице 1.16 приведены основные параметры некоторых молотковых дробилок. Анализ данных таблицы показывает, что параметры дробилок изменяются в широких пределах.
Все дробилки приводятся в действие от электропривода. Используются для
измельчения в основном зерна, пленчатых культур, шрота и жмыха. Все они
имеют рабочую камеру, снабженную решетами. Часто такие дробилки снабжаются металлоуловителями. Отличаются друг от друга они длиной ротора,
параметрами просеивающих решет и мощностью электропривода.
Молотковый ротор дробилки А1-ДМР представляет собой полый вал,
на котором смонтированы диски толщиной 6 мм, между которыми на осях
установлены молотки размерами 200 х 60 х 6 мм. Для повышения износостойкости рабочая поверхность молотков часто наплавляется сормайтом. Необходимое расстояние между молотками на оси обеспечивается за счет установки распорных втулок.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
61
Анализ параметров дробилок показывает, что они относятся к весьма
энергоемким машинам, рабочие органы которых функционируют при высоких скоростях. Роторы подвергаются большим динамическим нагрузкам. С
целью равномерного износа всех сторон молотков и увеличения их долговечности они переставляются на осях. Молотки переставляют осторожно и
так, чтобы каждый молоток был установлен на прежнее место для сохранения балансировки. Разница в массе двух радиально расположенных молотков
не должна превышать 1 град. [2]. Испытаниями было установлено (по данным УНИИИМЭСХ), что энергоемкость дробилки ДБ-5 составила 3,45 –
13,1 кВт ⋅ ч/т, а дробилки КДМ-2 – 6,54 – 14,0 кВт ⋅ ч/т. [30].
Конструкции зарубежных дробилок еще разнообразнее. Они состоят
из молотковых роторов и решет с различным диаметров отверстий. В приводах зарубежных измельчителей используются электродвигатели с регулируемой и реверсивной скоростью вращения [42]. Например, в роторных измельчителях моделей 1020, 2550 и 60100 фирмы “Sproud – Waldron” (США)
используются вибролотки для подачи материала в измельчитель, применяются торцовые решета и двухступенчатые роторы. Анализ информации по конструкциям зарубежных измельчителей кормов показывает, что мощность их
приводов составляет от 22 до 250 кВт, диаметр ротора по концам молотков –
150 – 1400 мм; площадь перфорированных сит – 24 – 200 дм2. Анализ кинематики функционирования таких рабочих органов показывает, что окружная
скорость молотков составляет от 40 до 120 м/с, а производительность – 2 – 40
т/ч, масса – 1500 – 4000 кг.
Отличительной особенностью ротора дробилки «Kosmek” (Италия)
является то, что ее прямоугольные молотковые измельчающие элементы
имеют заостроеные кромки, что позволяет снизить энергоемкость измельчения и повысить коэффициент однородности измельчения. Диаметр ротора –
510 мм, длина ротора – 515 мм, окружная скорость – 82 м/с, толщина молотка
– 4 мм, диаметры перфорации решета – 2, 4, 6 мм [42].
В молотковой дробилке “ZINAL” фирмы “Buhler” (Швейцария) применяется оригинальный уловитель камней, металлических предметов и других тяжелых примесей, приводящийся в действие сжатым воздухом [проспект фирмы “Buhler”].
В лесном хозяйстве для измельчения порубочных остатков применяются универсальные сельскохозяйственные дробилки-измельчители (ДКМ-5
и КДУ-2), снабженные двумя рабочими органами. Рабочий орган барабанного типа с режущими ножами осуществляет предварительное измельчение материала, доизмельчение производится роторным рабочим органом, снабженным молотками. Диаметр ротора в данных измельчителях – 500 мм, количество молотков - 80, а частота вращения – 2900 мин-1 [34].
При производстве витаминной муки из древесной зелени используются измельчители, разработанные ВНИИЖИВМАШем для измельчения
влажных початков кукурузы и зерна. Разработаны три технологические ли
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
62
Таблица 1.16 - Технические параметры молотковых дробилок [2,30,31,39]
Параметры
КДМ-2
Производительность, 2 – 2,5
т/ч
Диаметр ротора, мм
500
Длина ротора, мм
410
Число молотков
90
Зазор между ситом и 5 – 10
молотками, мм
Окружная скорость
71
ротора, м/с
Частота
вращения 2700
ротора, мин-1
Мощность привода,
30
кВт
Габаритные размеры,
мм:
длина 2465
ширина 1130
высота 3185
Масса без электро955
двигателя, кг
Ф-1М
ДБ-5-2
А1-ДДР
А1-ДДП
ДМ
ДММ
ДМ-440
А1-БД
РБД3000
2
3,5
10 - 12
5–6
3,0
7,0
3,8
1,5
3
500
224
108
500
500
120
630
588
144
12 – 15
640
363
96
500
353
72
12 – 15
980
353
160
7 – 10
450
410
288
7 – 10
500
60
5–7
70
5 – 10
77
77
100
97
77
76
67
75
2950
2940
2950
2940
2970
1470
2925
2910
2100
23,3
32,2
100
40
22
55
13
7,5
29
1700
2200
2620
695
8460
2420
4200
895
2250
1050
2490
2100
1885
1050
2490
1500
1640
888
1360
1085
1980
1140
1685
1960
1380
690
640
241
750
970
1330
450
1148
1130
1500
1600
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
63
нии: КИК-Ф-20; КИК-Ф-20-03; КИК-Ф-20-04. В этих линиях применяются
переоборудованные измельчители ИРТ-165-02К, М-8, ИРМ-50. Остановимся
на анализе конструкций данных измельчителей подробнее.
Переоборудованный для измельчения древесной зелени измельчитель
ИРТ-165-02К отличается от производственного тем, что в нем круглый
большеобъемный бункер заменен небольшим коробчатым, а на роторе установлено 72 молотка. Роторный рабочий орган измельчителя М-8 включает в
себя вал, на котором при помощи распорных втулок на шпонках установлены
несущие диски с закрепленными четырьмя или шестью осями. На осях
шарнирно установлены молотки прямоугольной формы, толщиной 6,5 мм.
После износа молотков с одной стороны ротора осуществляется его реверсирование. На деке устанавливаются специальные противорежущие ножи, изготовленные из износостойкой стали [35].
Рабочий орган измельчителя ИРМ – 50 собран из вала, несущих дисков, на которых при помощи осей шарнирно установлены молотки. Шаг молотков составляет 76 мм. Молотки на роторе установлены в шахматном порядке, причем на каждой последующей оси молотки смещены относительно
предыдущей на 38 мм. На деке установлены противорежущие ножи с регулируемой длиной. Завод поставляет измельчители с электроприводом и сменными шкивами (на 1500 и 2000 мин-1). Если привод измельчителя осуществляется от трактора Т-150К, то шкив с ротора снимается, а на шлицевый конец
вала надевается телескопический вал. Если привод осуществляется от трактора К-700, то на вал ротора устанавливается фланец [35]. Степень измельчения материала в таких измельчителях регулируется изменением длины противорежущих ножей либо изменением частоты вращения ротора.
Среди конструкций зарубежных измельчителей следует отметить
дробилки ВМ-5 фирмы “Skiold” (Дания) и PVM 2060 фирмы “Neuero”
(ФРГ). Дробилка ВМ-5 приводится в действие от трактора мощностью 74 –
118 кВт и имеет производительность 20 т/ч, а массу – 870 кг [по проспекту
фирмы “Skiold”].
Для получения витаминной муки из древесной зелени используются
агрегаты для производства витаминной муки АВМ-0,65, АВМ-1,5, АВМ-3,0,
которые снабжаются молотковыми роторными измельчителями. Технические
параметры измельчителей приведены в таблице 1.17.
Таблица 1.17 - Технические параметры измельчителей АВМ [11]
Параметры
Производительность, т/ч
Диаметр ротора, мм
Частота вращения ротора, мин-1
Мощность электродвигателя, кВт
Масса, кг
АВМ-0,65
До 8
640
2920
45
1000
АВМ-3,0
До 3
1270
1470
160
3730
ДКМ-1
1,0
500
2940
30
460
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
64
Измельчители состоят из корпуса, ротора с молотками, деки и решет.
Привод ротора выполняется от электродвигателя, управляемого с центрального пункта. В дробилке предварительно высушенная масса измельчается в
муку. Ротор может работать в реверсивном варианте. Дробилки комплектуются сменными решетами с диаметром отверстий 4, 6 и 8 мм. По мере износа
молотки разворачивают или включают реверсивное вращение ротора.
Для измельчения древесной зелени применяют измельчители грубых
кормов ИРТ-165, ИРТ-80, ИГК-30, ДИП-2, ФГФ-120 и др. [2,3,30,31]. Технические параметры указанных измельчителей приведены в таблице 1.18.
Анализ данных таблицы 1.18 показывает, что наибольшей однородностью измельчения характеризуется измельчитель ФГФ-120МА. Дробилка
ИРТ-165 выпускается в стационарном и передвижном вариантах.
Таблица 1.18 - Технические параметры измельчителей грубых кормов
[2,3,30,31]
Параметр
Производительность, т/ч
Мощность привода, кВт
Диаметр ротора, мм
Длина ротора, мм
Удельная энергоемкость,
кВт ⋅ ч/т
Распределение частиц по
фракциям, % , мм:
до 50
св 50
ИГК-30
До 3
30
100
82
7,2
65,6
34,4
ФГФ1200МА
3 – 3,2
51,5
645
864
ИРТ-80
ИРТ-165
4–6
59
1310
180
6,1
5,6 – 10,1
110
530/650
1020
94
6
76
24
85
15
Ротор измельчителя (рисунок 1.32) состоит из вала 3, несущих дисков 5, распорных колец, шкворней 6 и молотков 4. Шкворни устанавливаются в отверстия пластин. Молотки на роторе устанавливаются в шахматном
порядке. Гребенка 7 служит противорежущим элементом. Снизу ротор закрывается сменным решетом 10. Качество измельчения материала регулируется совместным перемещением гребенок и отсекателей, кинематически связанных между собой. Для измельчения материала повышенной влажности
измельчитель комплектуется сменной декой с противорезами. Для измельчения очень влажных кормов в измельчителе устанавливают дополнительно
лифтер и отсекатель.
Механизм привода рабочих органов дробилки ИТР-165 включает в
себя механический привод ротора и гидравлические приводы бункера и конвейера. Механический привод ротора включает в себя вал и мультипликатор
(цилиндрический редуктор), повышающий частоту вращения вала ротора с
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
65
1000 до 2000 мин-1. Бункер и конвейер приводятся в действие гидромоторами. Скорость вращения бункера и конвейера регулируется гидродросселем. В
стационарном варианте дробилки привод рабочих органов осуществляется от
электродвигателя через мультипликатор. При износе молотков качество измельчения ухудшается. Допустимый радиус закругления молотков составляет 20 мм. При большем износе молотки поворачивают или заменяют. Допустимый дисбаланс молотков допускается не более 5 град.
Измельчитель для материалов с повышенной влажностью ИРТ-80
безрешетного типа состоит из молоткового ротора, деки, рамы, шасси и карданной передачи [32]. Частота вращения ротора регулируется специальным
автоматическим устройством. Молотковый ротор состоит из вала, на котором
установлены несущие диски. В отверстия дисков установлено шесть осей, на
которых шарнирно закреплено четыре молотка увеличенного размера (330 х
80 х 16 мм, масса – 2,80 кг). Привод в мобильном варианте, который главным
образом используется в лесном хозяйстве, осуществляется от ВОМа - трактора МТЗ-80. В стационарном варианте привод осуществляется от электродвигателя, мощностью 60 кВт. При измельчении древесной зелени указанным устройством она измельчается до размеров 20 – 50 мм.
2
1
3
4
5
7
6
9
8
10
ÈÒÐ-165
1 - äíèùå; 2 - îòñåêàòåëü; 3 âàë; 4 - ìîëîòîê;
5 - äèñê íåñóùèé; 6 - øêâîðåíü; 7 - ãðåáåíêà;
8 - ðàìà; 9 -áîêîâèíà; 10 ðåøåòî
Рисунок 1.32 – Схема рабочего органа измельчителя ИТР-165
Рабочий орган измельчителя грубых кормов ИГК-30Б [32] состоит из
ротора, на котором могут устанавливаться 25 лопаток (для измельчения
влажного материала). На роторе лопатки размещаются так, чтобы число количества штифтов между соседними лопатками было одинаковым (по внешнему ряду – 19 и 9 – по внутреннему). Измельчающий орган представляет
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
66
собой жестко закрепленный на валу диск, на котором по концентрическим
окружностям располагаются в три ряда 105 стальных заостренных штифта.
Такие же штифты установлены на неподвижной деке. Рабочий процесс измельчения осуществляется между подвижными и неподвижными штифтами.
Стебельчатый материал при этом разрывается при изломе и перетирается.
Энергоемкость данного устройства при измельчении соломы повышенной
влажности (более 30 %) составляет от 7,2 до 16 кВт ⋅ ч/т.
Ротор дробилки ФГФ-120МА (Болгария) [30] представляет собой вал
с несущими дисками с восемью осями, на которых шарнирно закреплено 120
измельчающих молотков. Удаление измельченного материала из рабочей камеры осуществляется струей воздуха, создаваемой вентилятором.
Рабочий орган передвижной дробилки ДИП-2, которая применяется
для измельчения пустынной колючки, состоит из ротора с четырьмя ножами
и подвешенных пакетов молотков. Предварительно измельченные ветви пустынной колючки подаются в горловину дробилку, рубятся ножами ротора, а
затем окончательно разбиваются молотками и лопатками и выбрасываются
через выгрузную трубу в тракторный прицеп. Работает указанная дробилка в
агрегате с трактором класса 9 – 14 кН.
Ротор молотковой дробилки РЗ-ДДС [30,31] состоит из вала с несущими дисками, на которых шарнирно установлены молотки. Параметры рабочего органа: производительность (при измельчении соломы) – 2 т/ч; диаметр ротора – 610 мм; ширина ротора - 486 мм; частота вращения ротора –
2000 мин-1; число молотков – 112; размеры молотков – 200 х 60 х 6 мм; мощность электропривода – 30 кВт.
В дробилках зарубежного производства роторный рабочий орган по
своей конструкции аналогичен рабочему органу дробилки ИРТ-165 (рисунок
1.19). Например, в дробилках “800”, “XG40”, “900B” фирмы “Farmhand”
(США) используются роторы со сменными решетами. Параметры ротора:
диаметр – 533 мм; частота вращения – 2000 – 2300 мин-1; мощность привода
44 – 128 кВт.
Существуют конструкции измельчителей, в которых на роторе вместо
молотков устанавливаются штифты. В частности, такие роторы применяются
для измельчения корнеклубнеплодов. По данным Детлефа и Кауса [30], оптимальными конструктивными параметрами штифтовых измельчителей являются: для режущих элементов – угол клина 20 – 30 0; ширина рабочего элемента - 5 мм; скорость измельчения – 10 м/с; для разрывающих элементов –
ширина составляет от 5 до 10 мм; скорость измельчения – 20 м/с. Испытания
показали, что штифтовые измельчители надежно работают только при ручной загрузке с тщательным удалением посторонних предметов. При механизированной загрузке материала лучшие результаты по надежности показали
молотковые дробилки. В измельчителе ИКС-5,0М молотки выполнены прямоугольной формы с клинообразной передней гранью.
Для измельчения засоренных пищевых отходов ВНИИМЖем выпус-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
67
каются безколосниковые прямоточные дробилки ДБУ-30. В этой дробилке
измельчаемая масса загружается через загрузочную горловину, установленную с одного конца корпуса, а выгрузная горловина – с другого. Внутри
дробильной камеры на осях шарнирно закреплены молотки. Пищевые отходы измельчаются до фаршеобразной массы.
Наиболее сложными по конструкции выполнены роторные рабочие
органы универсальных измельчителей-смесителей. Они используются для
измельчения различных кормов и смешивания их с добавками. Часто такие
измельчители снабжаются несколькими роторами. Так, ротор измельчителясмесителя агрегата АПК-10 (рисунок 1.33) состоит из вала, на котором установлено по десять круглых и треугольных несущих дисков. Между круглыми
дисками на осях жестко установлено 54 ножа, режущие кромки которых наплавлены сормайтом и повернуты на 15 0 относительно радиальной плоскости. От осевого смешения на осях ножи удерживаются распорными втулками. В средней части ротора на трех осях шарнирно закреплено 27 молотков,
верхняя часть которых повернута на 30 0 относительно радиальной плоскости, что обеспечивает осевое перемещение измельчаемого материала и подачу его к швырялке, которая удаляет измельченный материал из измельчителя.
Стебельчатые материалы поступают в измельчитель в зону ножей, где они
после предварительного измельчения поступают в зону работы молотков, которыми дополнительно расщепляются вдоль волокон и смешиваются с корнеклубнеплодами.
Степень измельчения материала регулируется изменением числа установленных ножей на роторе или регулировкой зазора между подвижной
декой и концами ножей.
Измельчители, выпускаемые СКТБ «Дезинтегратор», имеют по два
пальцевых ротора, которые вращаются в разные стороны и имеют индивидуальные приводы. Такая кинематика вращения роторов обеспечивает самую
высокую скорость измельчения – в пределах от 100 до 150 м/с. Подаваемые в
центр дисков измельчаемые материалы под действием центробежной силы
поступают к пальцам, где разрушаются ударным воздействием и отбрасываются на последующие ряды пальцев. Процесс измельчения в таких устройствах носит импульсный характер. Применяются для измельчения зернофуража
(рисунок 1.34). Следует сказать, что такая большая скорость взаимодействия
рабочих органов существует только между двумя движущимися навстречу
друг другу дисками. Если же определить скорость взаимодействия рабочих
органов с предметом труда, то она будет иметь значительно меньшие значения.
Интересны конструкции измельчителей-деструкторов, применяемых
для изменения анатомо-морфологического строения измельчаемого материала методом термодинамической обработки (НИИ Лесостепи и Полесья, Украина) [2]. Измельчитель представляет собой корпус с приемной и рабочей
камерами.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
68
1
À
2
Á
3
Á
Á-Á
À-À
Ðîòîð àãðåãàòà ÀÏÊ-10À
1 - øâûðÿëêà; 2 - ìîëîòêè; 3 - íîæè
Рисунок 1.33 – Схема роторного рабочего органа агрегата АПК-10А
3
2
4
ÓÄÀ-5:
5
1
Рисунок 1.34 - Схема дезинтегратора
1 - ðîòîð ïàëüöåâûé; 2 - ïðèâîä;
3 - êîðïóñ; 4 - ïàëüöû;
5 - ïðèåìíûé áóíêåð;
6 - ãîðëîâèíà âûãðóçíàÿ
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
69
В корпусе установлен вал с закрепленным на нем питающим однозаходным шнеком и промежуточными конусными втулками. На внутренней
поверхности рабочей камеры установлены ножи. На роторе установлены измельчающие рабочие органы с образованием двух смещенных одной относительно другой дугами, сочетающимися с прямыми линиями. Рабочая камера
измельчителя выполнена в виде сплошного цилиндра, снабженного системой
пазов. Внешняя часть рабочей камеры выполнена ребристой. Измельчающие
органы смещены один относительно другого на угол 5 – 45 0 по направлению
витков, с образованием двух винтовых каналов. Между ротором и рабочей
камерой образован зазор ступенчатой формы. Измельчаемый материал в рабочей камере деформируется без разделения на части и под воздействием
деформаций сдвига в нем происходят структурные изменения. В локальных
участках измельчаемого материала температура повышается до 120 0С. При
резком сбросе давления в ступенчатой рабочей камере вода, находящаяся в
материале, быстро вскипает и, испаряясь, разрушает внутреннюю структуру
материала. Затем материал измельчается ножами до необходимых размеров
частичек. Описанный выше термодинамический процесс применяется для
дробления влажной соломы (25 – 60 %) с использованием щелочных добавок
[2].
1.4.3 Анализ конструктивных особенностей рабочих
органов газонокосилок
Анализ научно-технической и патентной информации по конструкциям рабочих органов газонокосилок показывает, что их роторные рабочие органы выполняют рабочий процесс кошения по двум основным технологическим схемам: опорное перерезание материала удельным давлением на стебель; бесподпорное измельчение материала рубящим действием. При опорном перерезании стеблей рабочие органы снабжаются противорежущими
элементами, которые совместно с ножом выполняют функцию режущей пары. По принципу бесподпорного резания лезвием функционируют рабочие
органы газонокосилок с плосковращательными режущими аппаратами. Конструкции таких рабочих органов довольно просты. В основу конструкции
положен нож, вращающийся в горизонтальной плоскости. Исходя из технологических требований, предъявляемых к кошению газонов, вытекает требование к кинематики ножа. Для качественного реза необходима частота вращения ножа в пределах от 1400 до 5000 мин-1. Число ножей, как правило, ограничено.
По принципу подпорного резания работают газонокосилки с цилиндрическими режущими аппаратами. Их конструктивное устройство аналогично устройству рабочих органов кормоуборочных машин (1.1.2).
Рабочие органы газонокосилок классифицируются по ширине захвата: малой производительности – до 0,3 м; средней – 0,3 – 0,6 м; высокой –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
70
свыше 1,0 м. Для газонокосилок второго класса нормируются следующие параметры: установочная мощность привода (электрического двигателя или
двигателя внутреннего сгорания) не превышает 6 кВт, общая масса – 50 кг;
производительность – 800 м2/ч [12,43]. К данному классу можно отнести косилки ГСК-0,5, СК-15, «Лой Бой», «Рото-Хоу» (США), «Ронсомес» (Англия), «Флимо» (Франция) и др. Газонокосилки данного класса перемещаются
по поверхности оператором.
Газонокосилки повышенной производительности устанавливаются,
как правило, на специальных шасси или тракторах. Ширина захвата рабочих
органов косилок превышает 1 м. Мощность привода находится в пределах от
7,0 до 25 кВт, производительность до 2000 м2/ч. К этому классу можно отнести косилки «СГ», СК-15, КГБ, «Якобсон Менор» (Швейцария), «Хако»
(ФРГ), «Сейведж» (США) и др. Такие косилки агрегатируются с трактором и
могут содержать несколько рабочих органов, используются для стрижки газонов большой площади, аэродромов и футбольных стадионов. Общая ширина сцепки может достигать 12 м. Их производительность может составлять
до 10000 м2/ч.
Подвеска рабочих органов к раме машины выполняется либо по жесткой схеме, либо они имеют плавающую подвеску. Применение последнего
варианта позволяет им копировать неровности газона, избирательно обрабатывать склоны, осуществлять фигурную подрезку газона, например, в шахматном порядке на стадионах.
Конструктивно режущие рабочие органы газонокосилок выполнены
по двум конструктивным схемам: режущие рабочие органы имеют несущую
часть, на которой смонтированы режущие элементы; режущие органы без несущей части. При первой схеме несущая часть выполняется в виде кольца с
приваренным к нему куполом (часто выполняется штамповкой, как одно целое). На несущей части ротора устанавливаются режущие элементы (трапециевидные или прямоугольные). Число режущих элементов колеблется от 3
до 6. С поверхностью газона вступают в контакт только режущие элементы.
Режущие рабочие органы с несущей частью установлены в газонокосилках
ГКР-0,5 и во многих зарубежных аналогах. Преимуществом такого режущего
органа является возможность полной или выборочной замены изношенных
режущих элементов без замены несущей части. Режущие элементы роторов с
несущей частью обычно взаимозаменяемы. Часто используются сельскохозяйственные нормализованные сегменты косилок.
Режущий рабочий орган без несущей части конструктивно выполняется в виде плоского ножа. Анализ конструкций рабочих органов газонокосилок показывает, что наибольшее распространение в газонокосилках получили конструкции плоских ножей прямоугольной формы (рисунок 1.35).
Ножи часто выполняются с реверсивным вращением. В этом случае заточку
ножа выполняют двухсторонней. Газонокосилки, оснащенные плоскими ножами, имеют большую ширину захвата. Часто устанавливают несколько но-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
71
жей в ряд или в другом порядке. Для придания ножу жесткости и создания
благоприятного воздушного потока в измельчителе ножи выполняются с отштамповкой или отгибами на каждой лопасти (рисунок 1.35). Обычно ножи
выполняют нормальное резание травостоя (рубка). Ножи с криволинейным
лезвием большого распространения в конструкциях рабочих органов газонокосилок большого распространения не получили [32].
Режущие ножи газонокосилок некоторых типов, кроме технологических, выполняют транспортные функции, например, перемещают срезанные
частицы в специальные емкости.
Для предотвращения поломок ножей при столкновении их с трудноизмельчаемыми предметами, ножи крепятся к ротору шарнирно. Подобную
конструкцию имеет ротор газонокосилки ГКР-0,4. Ножи выполнены в виде
прямоугольных пластин с заточенными боковыми гранями и отверстием на
одной из торцевой поверхности. Шарнирно нож закрепляется на несущем
диске. На газонокосилках “Colibri” и B 325 серии “Partner” фирмы
“Husqvarna – Thomesto” устанавливается гибкий измельчающий рабочий орган.
Анализ патентной документации показывает, что изобретены конструкции режущих аппаратов дискового типа, режущее лезвие которых выполнено по различным кривым (спираль Архимеда), которые выполняют резание
со скольжением. Такие аппараты позволяют выполнять качественное кошение газонов при небольших скоростях взаимодействия рабочих органов с
предметом труда. М.М. Шумковым предложена конструкция режущего аппарата планетарного типа, сочетающего в себе преимущества дисковых и
плосковращающихся режущих аппаратов (рисунок 1.36) [43].
Ðàáî÷èé îðãàí ìàøèíû äëÿ êîøåíèÿ ãàçîíîâ "Ëîí-Áîé" (ÑØÀ)
Рисунок 1.35 – Схема плоского прямоугольного рабочего органа
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
72
D
1
í
À
2
3
Á
â
R
Vì
Рисунок 1.36 – Схема планетарного роторного рабочего органа:
1 – нож дисковый; 2 – водило; 3 – ротор.
Дисковый нож движется по планетарной траектории, принудительно
вращаясь одновременно вокруг центра диска А и оси вращения ротора Б. Рабочий орган движется поступательно со скоростью Vм. Проектными параметрами являются диаметр диска D и радиус вращения водила R. Скорость
взаимодействия диска с предметом труда существенно возрастает, причем
резание осуществляется со скольжением при переменных значениях угла и
коэффициента скольжения.
В таблице 1.19 приведены технические параметры пешеходных газонокосилок, а в таблице 1.20 - самоходных .
Анализ данных таблиц показывает, что технические параметры рабочих органов газонокосилок изменяются в широких пределах.
Для кошения трав и кустарника применяют сельскохозяйственные
роторные косилки, роторы которых монтируются на брусе. В дисковых аппаратах с нижним приводом роторы устанавливаются на верхней части коробчатого бруса, внутри которого проходит привод рабочих органов. Например, у косилки КРН-2,1Н скошенная растительность проходит поверх бруса.
Ширина захвата данной косилки равна 2.1 м, масса – 510 кг, а число роторов
– 4. Передача вращения к рабочим органам выполняется клиноременной передачей. Роторные косилки применяются на высокоурожайных площадях и
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
73
используются на повышенных (до 15 км/ч) скоростях движения. В косилках с
верхним приводом роторы установлены на вертикальных консольных валах,
на нижних концах которых смонтированы несущие диски с шарнирно закрепленными ножами. Верхний привод монтируется на брусе, через который
проходит скошенная масса.
Таблица 1.19 -
Технические параметры рабочих органов
пешеходных газонокосилок [12,16,20,24,43]
Параметры
КГБ
КГ-1000
Тип привода
Безмоторная
-
Электродвигатель
1,0
Цилиндрический
с 5 - спиральными
ножами
Плосковращательный
Плосковращательный
Плосковращательный
Плосковращательный
0,35
0,3
0,5
0,5
0,5
Возвратнопоступательный
плоскостной
1,0
150 – 200
До 150
До 200
700
780
2900
-
1400
4000
4000
4000
1000-2980
100
120
120
120
120
120
11,5
36
30
14
45
72
Мощность привода, кВт
Тип режущего
аппарата
Ширина захвата, м
Производительность, м2/ч
Частота вращения
рабочего
органа, мин-1
Высота срезаемого травостоя,
мм
Масса, кг
КГ-0,5
СК-20
СК-15
КМП-1
“Дружба – “Дружба – “Дружба “Дружба –
4”
4”
– 4”
4”
3,3
3,3
3,3
3,3
В зарубежных косилках получила распространение конструкция косилок с верхним приводом (ширина захвата - св. 3 м), которая обладает
меньшей металлоемкостью. Конструктивно ножи выполняются в виде прямоугольной пластины, заточенной с двух сторон. По мере затупления ножи
переставляются и поворачиваются на 1800. Число роторов на одном брусе составляет от 4 до 8, а число ножей на роторе - от 2 до 3. Скорость резания в
сельскохозяйственных зарубежных косилках доходит до 100 м/с.
Для кошения газонов и в других труднодоступных местах применяются косилки зарубежного производства, на роторах которых смонтированы
гибкие измельчающие элементы. Такие рабочие органы позволяют обкашивать древесные и кустарниковые растения без их повреждения. Эксплуатация
косилок в УЗС г. Красноярска показала, что долговечность гибких рабочих
органов не превышает 50 часов.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
74
Таблица 1.20 - Технические параметры самоходных газонокосилок
[12,16,20,24,43]
Параметры
Базовое шасси
Тип режущего аппарата
Навеска рабочего органа
Число ножей
Общая ширина захвата, мм
Марка двигателя
Мощность, кВт
Частота вращения ротора, мин-1, макс.
Скорость
движения,
км/ч
Производительность,
м2/ч
Масса, кг
СГ
СГК-1
КГШ-1,5
Специальное,
самоходное
Плосковращательный
Специальное,
самоходное
Т-16
Плосковращательный
Плосковращательный
Спереди
шасси
Между колесами шасси
2
1
Между
колесами
шасси
3
1000
850
1500
ТГ-200 7,36
2320
УД-25
5,88
3000
Д-21А1
18,4
3414
5,36
7,2
6,25
3760
4000
350
280
«Таффкинг»
(США)
Трактор
«Мариба»
(Швейцария)
Трактор
Цилиндрический со
спиральными ножами
Прицепной
(5 барабанов)
5 на барабане
До 2150
Цилиндрический со
спиральными ножами
Прицепной
6,35
50
9370
10000
10000
1616
260
2250
6 на барабане
До 6 м
1.5 Обзор конструктивных особенностей роторных рабочих
органов, разработанных кафедрой ПЛО СибГТУ
На кафедре проектирования лесного оборудования СибГТУ ведутся
разработки роторных рабочих органов. Ниже представлены некоторые разработки, выполненные при участии автора либо студентами под руководством
автора. Основные направления работ: разработка новых рабочих органов,
имеющих существенные конструктивные отличия (роторы с шарнирно прикрепленными измельчающими элементами, рабочие органы с гибкими элементами, роторы с упругим креплением измельчающих элементов); интенсификация рабочих процессов, выполняемых роторами, засчет увеличения
скорости взаимодействия измельчающих элементов с предметом труда, придания им колебательных движений, оптимизации (по энергоемкости измельчения) геометрической формы, размеров, числа, углов заточки измельчаю-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
75
щих элементов; адаптация известных конструкций рабочих органов для их
применения в садово-парковом строительстве, снабжение их новыми приводами, компоновка их на новых базах; создание графической и методологической базы данных для автоматизированного проектирования.
На рисунке 1.37 представлена схема универсальной роторной косилки для садово-паркового строительства, устанавливаемой на базе шасси Т-16
при помощи манипулятора, заимствованного от погрузчика ПГ- 0,2. Косилка
может использоваться для кошения травостоя, кустарника, поросли деревьев
на газонах и обочинах дорог, в кюветах и канавах, на бровках и насыпях, а
также для кронирования деревьев и кустарников. Для привода рабочего органа на шасси устанавливается насосная станция.
Âèäû âûïîëíÿåìûõ ðàáîò
6900
2
3
1
2800
2500
1 - áàçîâûé òðàêòîð; 2 - ìàíèïóëÿòîð
3 - ðàáî÷èé îðãàí
(ðàçðàáîòàë Àêèìîâ
)
Ðèñóíîê 1.37 - Ñõåìà óíèâåðñàëüíîé ðîòîðíîé êîñèëêè
Рисунок 1.37 – Универсальная роторная косилка
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
76
Привод рабочего органа, общий вид которого показан на рисунке
1.38, осуществляется от гидромотора (210.16.12). Навеска на манипулятор
выполнена в виде шарниров, обладающих двумя степенями подвижности.
Это позволяет рабочему органу выполнять свои функции на работах, схемы
которых показаны на рисунке 1.37, с одной установки машины (кронирование деревьев и кустарников, работа на склонах, выкашивание растительности
в котлованах и других углублениях). Поворот рабочего органа в вертикальной плоскости, проходящей через манипулятор, осуществляется при помощи
гидроцилиндров. Для повышения устойчивости машины на шасси устанавливаются противовесы. Разрабатывается вариант косилки на железнодорожной платформе.
Рабочий орган (рисунок 1.38), относящийся к группе плосковращательных механизмов, представляет собой диск диаметром 1000 мм, на котором при помощи специальных цанговых замков закреплено четыре гибких
рабочих органа, выполненные из стальных канатов. Диск установлен на вертикальном валу, вращающимся на подшипниках в стакане, закрепленном в
люльке. Снизу и сверху рабочий орган закрыт кожухом, из которого выступают только гибкие измельчающие элементы. Частота вращения рабочего
органа составляет 28800 об/мин; скорость резания - 41 м/с; скорость надвигания – 1,2 м/с; производительность – до 4000 м2/ч. Гибкие рабочие ораны
позволяют производить обработку поверхностей, изобилующей трудноизмельчаемыми предметами (камни, осколки стекла, остатки строительного
мусора), а также повышают надежность функционирования. Гибкие измельчающие элементы выполнены быстросъемными, что позволяет быстро их заменять при ремонте. Долговечность канатных гибких рабочих органов составляет до 48 часов при работе на городских газонах.
Разрабатывается оригинальная конструкция роторного рабочего органа с
упругим креплением к несущим дискам измельчающих ножей, обеспечивающая увеличение скорости вибрационного взаимодействия измельчающих
элементов с почвой, без увеличения скорости вращения ротора.
Лесотехнической академией (Санкт-Петербург), при участии автора,
разработана машина для уборки опавших листьев, оборудованная роторным рабочим органом [Лесное хозяйство, № 11, 1983. - C. 59 – 60]. На рисунке 1.39 показана разработанная машина на испытаниях (фото автора).
Машина агрегатируется с трактором Т-25. Рабочий орган выполнен в виде
ротора с большим числом подпружиненных металлических частей и прикреплен к раме шарнирно с двумя степенями свободы. Это обеспечивает хорошее копирование рабочим органом микрорельефа обрабатываемой поверхности. Собранные растительные остатки грузятся на транспорт и используются
на удобрения или для нужд кормопроизводства. Частота вращения рабочего
органа – 95 р/с; ширина захвата – 1,3 м; емкость бункера – 3 м3; рабочая скорость – 1,3 – 1,6 м/с; сменная производительность – 1,6 га (4,5 т).
80
340
460
Êîïèð
Ñèñòåìà îïîðíàÿ
400
Âàë ðîòîðà
Ïîäâåñêà
500
Ðîòîð
50
Ãèáêèé ðàáî÷èé îðãàí
Êîæóõ
Ðèñóíîê 1.38 - Ñõåìà ðîòîðíîãî ðàáî÷åãî îðãàíà óíèâåðñàëüíîé êîñèëêè
300
Ãèäðîìîòîð 210.16.12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
77
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
78
Рисунок 1.39 – Испытания машины для уборки листьев ЛУМ-1,3
( фото автора)
Описанная выше машина не решала всего комплекса работ по уборке
опавших листьев в парках: оставались непроизводительные расходы, связанные с транспортировкой собранных листьев и органических удобрений, существовали потери фитомассы в садах и парках. По данным некоторых источников, ежегодно из парков вывозится с одного гектара до 35 т опавших
листьев, веток и сучьев от обрезки. Такое количество потерянной фитомассы
очень трудно возместить. Разработана и реализована в конструкции машины
технология уборки опавших листьев, при которой все растительные остатки
собираются, измельчаются и вносятся обратно в почву непосредственно на
месте их уборки [Пути повышения технического уровня и эффективности
машин для лесозаготовок и лесного хозяйства: Межвуз.сб. - Л.: ЛТА, 1984. –
С. 41 – 43]. Машина (рисунок 1.40) агрегатируется с трактором Т-25 и содержит два роторных рабочих органа. Роторный подбирающий рабочий орган идентичен по свой конструкции рабочему органу машины ЛУМ-1,3. Измельчающий рабочий орган содержит ротор с несущими дисками, на которых посредством осей шарнирно закреплены ножи (А.с. СССР № 10115860,
опубликовано в БИ. 1983. - № 17). Число осей на роторе может устанавливаться в пределах от 2 до 8. Измельчающие элементы изготовлялись из ленточного проката (ГОСТ 2283-79 и ГОСТ 4986-79). Ротор устанавливался на
подшипниковых опорах в кожухе, верхняя часть которого была цельной, а
нижняя – выполнялась в виде реккатера.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
79
Рисунок 1.40 – Машина для уборки и измельчения опавших листьев
ЛУМ-1П (фото автора)
Испытания машины (рисунок 1.41) показали следующие результаты:
ширина захвата –1 м; масса – 605 кг; сменная производительность – 1, 72 га;
рабочая скорость движения агрегата – 1,2 – 1,6 м/с; степень измельчения – 9;
тяговое сопротивление трактора – 0,35 кН; мощность, снимаемая с ВОМа, –
12 кВт; чистота уборки – 85 %; энергоемкость измельчения – 50 – 90 Вт⋅с/кг
на единицу степени измельчения; скорость резания – 15 – 30 м/с; частота
вращения ротора – 1200 об/мин; влажность листьев максимальная – до 80 %.
Работоспособность устройства обеспечивалась при влажности опавших листьев 60 %, при большей влажности простои машины из-за забивки измельчителя составили до 60 % рабочего времени. Отказы подбирающего рабочего
органа не наблюдались.
Для устранения отмеченного недостатка в конструкцию были внесены изменения [А.с. СССР № 1077599, опубл. в БИ. 1984. № 9], суть которых
показана на рисунке 1.42. Рабочая поверхность рекаттера снабжена двумя
элементами, один из которых неподвижен 1, а другой, имеющий в поперечном сечении форму части окружности 2, прижат к первому при помощи прижимов 3 с пружинами 4 и имеет возможность возвратно-поступательного перемещения относительно неподвижного элемента 1 посредством привода 5,
например, гидроцилиндра, причем оба элемента имеют отверстия для удаления измельченных продуктов, кромки которых выполнены в виде лезвий.
Фракционный состав измельченных листьев (размеры частичек и однородность измельчения) устанавливается в зависимости от степени перекрытия
отверстий элементов 1 и 2.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
80
Рисунок 1.41 – Испытания машины ЛУМ-1П (фото автора)
Рисунок 1.42 – Схема конструктивного решения для
устранения забивки имельчителя
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
81
При испытаниях был выявлен недостаток, заключающийся в том, что
часть измельченных частичек (30 % при влажности до 80 %) задерживается
на травяном покрове, что нарушает его нормальный рост и ухудшает эстетический вид газона. Для устранения данного недостатка было предложено
конструктивное решение [А.с. СССЗ № 1083964, опубл. в БИ. № 11. 1984].
Суть технического решения понятна из рисунка 1.43. Ротор измельчителя 1 с
шарнирными ножами 2 дополнительно снабжается разбрасывателями 3,
причем при вращении ножи 2 проходят внутри перемычек 4, соединяющих
противорежущие элементы 5, имеющие в поперечном сечении форму дуги
окружности с установленными гасителями 6.
Рисунок 1.43 – Схема конструктивного решения измельчителя
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
82
Разбрасыватели 3 сообщают измельченным частичкам значительную
кинетическую энергию, в результате чего они не задерживаются на травяном
покрове, проваливаются на почву, где быстро перегнивают. Такое конструктивное решение не ухудшает эстетический вид газона при работе машины.
Для защиты обслуживающего персонала рабочий орган снабжался отражателем.
При исследованиях было выявлено, что толщина слоя опавших листьев имеет значительную неравномерность [Пути повышения технического
уровня и эффективности машин для лесозаготовок и лесного хозяйства:
Межвуз.сб. - Л.:ЛТА, 1984. - С. 50 –52]. Поток предмета труда, поступающий
в измельчитель, оценивается случайными величинами. Это ведет к перегрузкам и нарушению работоспособности. Для учета подобного входного воздействия было разработано конструктивное решение, схема которого показана
на рисунке 1.44 [А.с. СССР № 1083964, опубл. в БИ. № 13. 1984].
8
1
6
4
2
5
7
3
Рисунок 1.44 – Схема конструктивного решения совместного
функционирования подбирающего и измельчающего рабочих органов
Машина (рисунок 1.44) передвигается на опорных колесах 7 по поверхности газона или парка, при этом подборщик 1 собирает листья и подает
их на выравнивающий стол 3 с дозирующим аппаратом 4, которые обеспечивают равномерную подачу листьев в измельчитель 5 (схема измельчителя показана на рисунке 1.42). Отражатель 6 с регулируемым углом наклона посредством привода 8 обеспечивает защиту обслуживающего персонала [Информационный листок № 181-87 Красноярского ЦНТИ, 1987].
Установлено, что лесные почвы отличаются большим числом древо-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
83
видных включений, прочностные свойства которых значительно выше основной массы почвы. Теоретическими исследованиями было доказано, что
величина разрушающих напряжений в почве от взаимодействия с ней измельчающих рабочих органов пропорциональна скорости приложения нагрузки. Для экспериментального подтверждения данного положения была
разработана конструкция ротора с упругим креплением измельчающих рабочих органов (рисунок 1.45). Технический результат достигается за счет увеличения линейной скорости вхождения измельчающих рабочих органов в
почву при прежней частоте вращения ротора.
1
7
2
3
À À
5
4
6
À-À
Рисунок 1.45 – Схема роторного рабочего органа для
измельчения почвы с древовидными включениями
Для достижения технического результата в рабочем органе (рисунок
1.45), состоящем из корпуса 1, вала 2, с установленным на нем несущими
дисками 3, посредством упругих элементов 4 закреплены измельчающие ножи с роликами 5, контактирующими в процессе вращения ротора (показано
стрелкой) с профильными уступами 6. Вращение рабочий орган получает от
привода 7. Упругие элементы 4 выполнены в виде металлических стержней с
прямоугольным поперечным сечением, причем большая сторона направлена
поперек вращения. При вращении ротора измельчающие ножи с роликами 5
под действием центробежной силы стремятся переместиться к периферии
корпуса 1. Данное движение придает продольной оси упругих элементов 4
форму прямой линии, которая направлена нормально продольной оси вращения ротора.
В момент времени, когда очередной ролик начинает контактировать
с профильным уступом 6, выполненными по форме четверть синусоидаль-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
84
ными, его (ролика) скорость движения замедляется при прежней скорости
вращения вала ротора 2. В результате такого взаимодействия упругий элемент 4 изгибается в плоскости вращения, продольная ось его приобретает
форму кривой, выпуклая часть которой направлена в сторону вращения. В
результате этого в упругих элементах запасается потенциальная энергия упругих деформаций.
В момент времени, когда очередной ролик резко соскальзывает с
профильного уступа, скорость его движения начинает увеличиваться, запасенная потенциальная энергия переходить в кинетическую, а продольная ось
упругого элемента распрямляться. В момент вхождения измельчающего ножа 5 в почву его линейная скорость становится больше линейной скорости
точки, принадлежащей воображаемой окружности, проходящей через концы
всех измельчающих элементов. В результате процесс взаимодействия измельчающих ножей с почвой приобретает ударный характер, что способствует разрушению твердых комков и перерубанию древовидных остатков и корней. Колебания измельчающих ножей способствуют интенсивному вхождению их в почву и рыхлению. В почве колебания упругих элементов затухают
за счет сил сопротивления почвы измельчению. После выхода измельчающих ножей из почвы продольная ось упругих элементов приобретает прямолинейную форму, а колебания прекращаются. Поскольку форма поперечного
сечения упругих элементов прямоугольная, то колебания измельчающих
ножей будут осуществляться только в направлении меньшей жесткости, т.е. в
плоскости вращения. Форма профильных уступов обеспечивает плавное нарастание упругих деформаций.
Анализ разработанных конструкций роторных рабочих органов выполняется на ЭВМ с применением систем автоматизированного проектирования (САПР, CAD). Для моделирования и конечно-элементного анализа
применяются программные пакеты зарубежной разработки. Суть апробируемой методики заключается в том, что на начальном этапе в графических пакетах создается объемная модель роторного рабочего органа, которая затем
транслируется в международном формате обмена описаниями объемных моделей (SAT) в пакеты моделирования и расчетов. Известные системы позволяют проводить статические, динамические, линейные и нелинейные прочностные расчеты, исследовать формы и частоты колебаний, выполнять динамический, частотный и тепловой анализ конструкций, а также осуществлять
оптимизацию проектных решений и параметров. Имеются большие возможности по представлению результатов расчетов напряжений, деформаций и
перемещений в виде таблиц, графиков, визуализации закрашенных полей,
анимации. Нагрузки на модели задаются в виде сил и моментов ( в т.ч. распределенные по длине и по поверхности), кинематического (несилового) воздействия (ускорения, скорости и перемещения), а также тепловые воздействия (температура, тепловыделения, тепловой, конвективный и радиационный
потоки).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
85
2 Параметрический анализ роторных рабочих
органов лесохозяйственных машин
Параметрический анализ уже проводился при анализе вариантов конструктивных решений роторных рабочих органов, изложенном в разделе 1.
Однако тогда нас интересовали относительные и сравнительные значения
параметров проектирования. Проведенный анализ показал, что обычно обосновываются технологические параметры функционирования роторных рабочих органов, которые зачастую выступают в качестве параметров назначения. В практике проектирования используются методы, при которых рабочий орган разбивается на элементы, параметры которых обосновываются без
учета требований, предъявляемых к рабочему органу, как сложной технической системе. В условиях проектирования сложных технических систем такой способ приводит к негативным последствиям.
На этапе параметрического анализа устанавливаются абсолютные
(числовые) значения параметров роторных рабочих органов. Параметры, определяющие элементы рабочих органов, по своей значимости относятся к
определяющим (главный и основные параметры) и второстепенным. Большинство авторов относят к главному параметру производительность рабочих органов, как параметр, наиболее полно отражающий потребительские
свойства всей машины [47,53,92,112]. Проведенный анализ опубликованных
работ показывает, что в практике проектирования встречаются два типа задач: 1 Разработка объекта проектирования, имеющего аналог, выбором основных параметров внутри параметрического ряда; 2 Разработка новых объектов при недостаточности информации об объекте проектирования и об
аналогичных системах.
Анализ литературных источников показывает, что до настоящего
времени не разработано единого параметрического ряда роторных измельчающих рабочих органов. В машиностроении для кормопроизводства применяется типоразмерный ряд измельчителей (Резник Е.И. Типоразмерный
ряд дробилок и погрузчиков-измельчителей грубых кормов //Тракторы и с.х. машины. – 2001. - № 7), привязываемый к типоразмерам ферм скота, а за
основной конструктивный параметр принимается величина площади диаметрального сечения ротора, которая рассчитывается по корреляционным зависимостям. Расчет параметров измельчителей на основе корреляционных зависимостей дает некоторые усредненные показатели и ограничивает усовершенствование конструкций. Представляет интерес метод расчета и оптимизации основных параметров на основе удельных показателей, которыми
можно оценивать объекты, входящие в различные типоразмерные ряды и
типы машин [117,121,133,136].
При разработке параметрического ряда по главному параметру задача
конструктора сводится к выбору параметров внутри параметрического ряда.
Для многих машин типоразмеры задаются стандартами. При расчетах часто
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
86
используются статистические зависимости основных параметров от главного
параметра машины. Автоматизированные методы параметрического проектирования довольно досконально разработаны для стандартных изделий и
конструктивных элементов деталей. Описанный выше способ проектирования в лесохозяйственном машиностроении используется недостаточно широко. При проектировании роторных рабочих органов получил распространение способ, при котором задача решается в два этапа: 1. Разработка математической модели рабочего органа; 2. Оптимизация проектных параметров.
Математическая модель описывает зависимости между параметрами проектирования (состояния, управления, эффективности).
2.1 Параметры проектирования
Следует отличать параметры проектирования, относящиеся к проектируемому объекту (технической системе) и параметры, относящиеся к технологическому процессу и предмету труда.
Анализ параметров рабочих органов почвообрабатывающих машин
показывает, что их производительность чаще всего измеряется в единицах
площади обработанной поверхности за единицу времени [105,108]. По нашему мнению, такой параметр не позволяет оценивать рабочие органы, устанавливаемые в различных машинах, и не несет информацию о качестве измельчения. Приведенная в литературных источниках информация позволяет
нам пересчитать производительность рабочих органов почвообрабатывающих машин и выразить ее размерность в кг/с
Q = Vп · L · a · γ,
где Vп – поступательная скорость движения почвообрабатывающего
агрегата, м/с; L – ширина захвата фрезы (длина ротора), м; а – глубина обработки почвы, м; γ - плотность почвы, кг/м3.
Для рабочих органов, установленных параллельно и предназначенных
для междурядной обработки почвы, в вышеуказанную формулу следует подставлять ширину захвата одного органа, умноженную на количество рабочих органов. В качестве основного конструктивного параметра роторных рабочих органов может выступать объем воображаемого цилиндра, образующая которого проходит по концам измельчающих элементов. В первом приближении его можно принять равным объему рабочей камеры измельчителей.
Предельные значения параметров проектирования
Рассчитанные предельные значения основных параметров рабочих
органов по однотипным машинам приведены в таблице 2.1.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
87
Таблица 2.1 – Основные предельные параметры роторных рабочих органов лесных машин
[1,7,8,10,1143},20,21,23,24,26,29,30,31,33,34,112,133]
Наименование
параметра
1 Производительность, кг/с
2 Рабочий объем,
м3
3 Диаметр ротора, мм
4 Длина ротора,
мм
5 Скорость измельчения. м/с
6 Масса ротора
конструктивная, кг
7 Марки машин
Почвообрабатывающие машины
(фрезерные)
6,0 / 220
Машины для лесорасчистки
Каналоочистители и
канавокопатели
Лесопожарные
машины
Измельчители
зелени
0,2 / 270
8,0 / 52
6,0 /260
0,1 / 75
0,01 /1,0
0,01 / 4,0
0,01 / 0,4
0,01 / 0,4
0,01 / 0,8
200 /1000
200/ 1500
500 / 1200
240 / 750
200 / 500
500 / 1600
250 / 1200
15 / 2300
60 / 350
350 / 750
200 / 750
250 / 500
0,25 / 15
0,5 / 12
0,30 / 8,0
2,5 / 7,5
8,0 / 30
20 / 1500
0,4 / 2200
120 / 1200
35 / 780
56 / 720
21-М / ФЛШ-1,2
«Секор-3» / МНФ500А
3 / 120
КНК-15 / МР-12А
ПЛМ-0,4 / ГТ-3
4,0 / 120
«Дружба-4» /
ОДЗ-3,0
3 / 24
55 / 250
4 / 68
4 / 24
4 / 16
1/2
1/3
8 Мощность при0,27 / 85
30 / 120
вода, кВт
9 Количество из2 / 120
3 / 450
3 / 120
мельчающих элементов, шт.
10 Количество
1/2
1/ 2
1/2
роторов в машине
Примечание: в числителе – минимальные значения; в знаменателе - максимальные
Рубительные машины
1,5 / 50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
88
Анализ технических данных, приведенных в таблице 2.1 показывает,
что параметры роторных рабочих органов лесных машин изменяются в широких пределах. Для почвообрабатывающих машин, применяемых в лесном
хозяйстве, существует типоразмерный ряд фрез. Для работы в защищенном
грунте, в городских зеленых насаждениях, при тушении пожаров используются малогабаритные фрезы с горизонтальным расположением ротора с
электроприводом, или на базе мини трактора. Проведенный анализ конструктивных параметров роторных рабочих органов показывает, что наибольшее
распространение получила классификация рабочих органов по технологическим параметрам. Максимальные значения параметров проектирования присущи рубительным машинам.
Как ранее было отмечено, в зависимости от характера взаимодействия
измельчающих рабочих органов с предметом труда, различают резание лезвием (со скольжением и нормальное), пуансоном и резцом, измельчение ударом, дробление, раскалывание, истирание и крошение. Способ взаимодействия определяется свойствами измельчаемого материала, механикой протекания процесса и технологическими требования, предъявляемыми к измельченному материалу. По принципу измельчения пуансоном работают измельчители древесной зелени, кормоуборочные машины, газонокосилки и др. Такие измельчители снабжаются противорежущими элементами. По принципу
измельчения ударом функционируют рабочие органы роторных измельчителей древесной зелени, древесины, газонокосилок и др.
Параметры измельчаемого материала оцениваются его структурой,
влажностью, гаранулометрическим составом, плотностью, твердостью, загрязненностью инородными включениями, коэффициентами внешнего и
внутреннего трения, углом естественного откоса, прочностью и сопротивлением измельчению. К механическим свойствам, определяющим процесс измельчения, относят модуль упругой деформации, коэффициент Пуассона,
разрушающее напряжение, критическое усилие резание и др.
К параметрам, определяющим механику взаимодействия роторных
рабочих органов с предметом труда, следует отнести скорость взаимодействия измельчающих рабочих органов с предметом труда, ориентацию ротора в
пространстве, параметры, определяющие движение предмета труда, массовые характеристики ротора и измельчающих элементов [132].
2.2 Анализ параметров рабочих органов режущего типа
При измельчении материала методом резания лезвием разделение
осуществляется за счет создания высокого давления на линии (лезвии). Теория резания лезвием была разработана В.П. Горячкиным, Н.Е Резником, Г.Е
Листопадом, С.М. Сабликовым, В.А. Желиговским, Г.Н. Синеоковым и др.
Анализ условий резания показывает, что при обосновании конструктивных
параметров измельчающих рабочих органов определяющими являются гео-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
89
метрические параметры ножей и кинематика их движения. Целью оптимизации конструктивных параметров и параметров рабочего процесса является
создание максимального нормального удельного давления на лезвии, при
минимизации всех прочих затрат - на измельчение. Поскольку ориентация
предмета труда в пространстве носит обусловленный характер, то процесс
измельчения описывается детерменированными зависимостями.
Установлено, что разрушение материала при резании лезвием происходит при определенной удельной силе резания, которая составляет для соломы (5 – 12) ⋅ 103 Н/м; травы (4 – 8) ⋅ 103 Н/м; листостебельчатой массы подсолнечника (3 – 130)⋅ 103 Н/м [44,45]. С энергетической точки зрения нормальное резание (рубка) считается наиболее затратным. Доказано, что
удельная поверхностная работа резания (отношение работы, затраченной на
резание, к площади поперечного сечения перерезаемого материала) пропорциональна коэффициенту скольжения ножа и носит экстремальный характер.
Минимальная удельная работа резания наблюдается при углах скольжения от
20 до 600 [44,45,112].
Н.Е. Резником установлено оптимальное значение скорости резания
при измельчении стебельчатых материалов, которая находится в пределах от
35 до 40 м/с [4,45,46]. Повышенные требования предъявляются к конструктивным параметрам ножей, которые регламентируются стандартами. Так,
для измельчения стебельчатых материалов требуется острота лезвия 20 – 40
мкм [2,30,7]. Углы заточки и периодичность перезаточки ножей устанавливаются стандартами (например, ГОСТ 441-58 для соломорезок).
При обосновании параметров рабочих органов почвообрабатывающих машин учитывают агротехнические требования (максимальная глубина
обработки почвы, перемешивание почвы, степень рыхления, гребнистость,
заделка растительных и древовидных остатков). Особенностью функционирования роторных рабочих органов почвообрабатывающих машин является
то, что ножи отрезают от неподвижного массива стружку. При горизонтальном расположении ротора стружка отрезается либо сверху вниз (прямое вращение ротора), либо снизу вверх (обратное вращение). Ножи роторов, расположенных вертикально, снимают стружку при повороте ротора на угол 1800.
2.2.1 Обоснование силы резания почвы ножами
Величина силы резания почвы ножем зависит от состояния почвы,
геометрии ножей, скорости резания и других факторов, не позволяющих установить точную математическую зависимость. В практике проектирования
часто пользуются в данном случае эмпирическими зависимостями. Так, А.Д.
Далин предлагает следующую зависимость [10]
P = p ⋅ s ⋅ b,
(2.1)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
90
где p – среднее удельное сопротивление почвы резанию, Н/мм2; s подача на один нож, мм; b – ширина стружки, мм.
Удельное сопротивление почвы корректируют с учетом влияния скорости резания [7,9,26]
(2.2)
р = p1,5 + kv ⋅ v,
где p1,5 - удельное сопротивление резания, Н/мм2, при скорости резания 1 – 1,5 м/с; kv - коэффициент, учитывающий влияние скорости резания;
v – скорость резания, м/с.
И.С. Полтавцев предлагает разделить силу резания, возникающую на
ноже, на две составляющие: Рл – сопротивление резанию лобовой (загнутой)
частью ножа и Рб – сопротивление резанию боковым лезвием [10]
Рл = р ⋅ s’ ⋅ b;
Рб = k’ ⋅ s’ ⋅bн ,
(2.3)
где - р удельное сопротивление резанию, Н/мм2; s’ – толщина срезаемой стружки, мм; b – ширина стружки, мм; k’ – удельное сопротивление
резанию плоским ножем, Н/мм2; bн – толщина ножа, мм.
При фрезеровании узких канавок резание осуществляется по двум боковым поверхностям, поэтому суммарная сила резания на ноже определится
[10]
Р = Рл + 2 ⋅ Рб;
Рб = k’ ⋅ s’⋅ B ,
(2.4)
где В – ширина канавки, мм.
Удельное сопротивление почвы на один нож почвообрабатывающей
фрезы в зависимости от подачи приведено в таблице 2.2
Анализ данных, приведенных в таблице 2.2, показывает, что сопротивление почвы сильно зависит от ее типа.
2.2.2 Обоснование мощности
Анализ литературных источников показывает, что исследователи до
настоящего времени придерживаются концепции, выдвинутой акад. В.П. Горячкиным. Суть этой концепции заключается в том, что мощность на привод
рабочего органа определяется как сумма составляющих затрат мощности.
Применительно к почвенным фрезам с горизонтальной осью вращения потребная мощность определится (по аналогичным формулам определяется
мощность, затрачиваемая на измельчение в кормоизмельчителях)
N = Nф + Nот + (Nф + Nот) ⋅ (1 - η) + Nпер,
(2.5)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
91
где Nф – мощность, затрачиваемая на фрезерование, кВт; Nот - мощность, затрачиваемая на отбрасывание почвы, кВт; Nпер - мощность, затрачиваемая на передвижение рабочего органа, кВт; η - коэффициент полезного
действия.
Таблица 2.2
-
Характеристика
почвы
Тяжелый
нок
Удельное сопротивление деформации почвы
на один нож фрезы [1,7,9,10]
Тип рабочего Подача на Сечение
органа
один нож, стружки,
мм
мм2
сугли-
Рыхлящее долото
Залеж на тяжелой
супеси
Рыхлящее долото
Залеж на тяжелом
суглинке
Г-образный
нож
Средние осоковые
кочки (П.В Павлов.)
Дернина на торфе
(А.Д Далин.)
Отмирающие осоковые кочки
Г-образный
нож
Г-образный
нож
Г-образный
нож
25
50
75
100
125
60
90
120
132
161
52
104
186
-
2250
4500
6750
9000
11250
5400
8100
10800
11900
14500
3200
6500
11600
1200
Удельное
сопротивление резанию, Н/мм2
14,9
8,9
6,8
6,4
6,6
11,5
8,9
8,3
7,7
5,5
16,3
1,25
1,10
80 – 100
-
2100
65
-
7100
50
Мощность, затрачиваемая на фрезерование, определяется через работу ножа
Nф = A ⋅ z ⋅ ω ,
(2.6)
где A – работа одного ножа, Вт/с; z – число ножей на роторе; ω - угловая скорость вращения ротора, рад/с.
Работа, совершаемая одним ножем фрезы, равна определенному интегралу от силы сопротивления резанию по элементарному пути
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
92
dx
A = ∫ P ⋅ dl ,
(2.7)
0
где Р – сопротивление резанию одного ножа, Н ; dl – элементарный
путь ножа, определяемый из уравнения кинематики ротора.
В работах [1,7,10,12, 48] приводятся приемлемые для практических
расчетов значения данного интеграла
A = (p ⋅ b + k’ ⋅ bн) ⋅ s ⋅ a ⋅ [(Vокр + Vп )/ Vп] ,
(2.8)
где р – среднее удельное сопротивление почвы резанию, Н/мм2; b –
толщина почвенной стружки, срезаемой одним ножем, мм; k’ – удельное сопротивление резанию боковой поверхностью ножа, Н/мм2; bн – толщина ножа, мм; s – подача на один нож, мм; а – глубина обработки почвы, мм; Vокр окружная скорость ротора, м/с; Vп – поступательная скорость ротора, скорость агрегата, м/с.
Мощность, затрачиваемая на отбрасывание почвы, может быть приближенно оценена по формуле
Nот = (k0 ⋅ Vокр 2 ⋅ L ⋅ z ⋅ a ⋅ γ ⋅ Vп ) / 2 ⋅ g,
(2.9)
где k0 – коэффициент, зависящий от формы лобовой поверхности измельчающих ноже (k0 = 0,85 для полевых крючков, k0 = 1,0 – для Г-образных
ножей [51,52,117]); L – длина ротора; γ - плотность почвы, кг/м3; g – ускорение свободного падения, м/с.
Мощность на передвижение фрезы в формуле 2.5 может быть рассчитана
Nпер = ± Vп ⋅ Рх,
(2.10)
где ± Рх – горизонтальная составляющая суммарного тягового сопротивления фрезы (знак. «+» берется в формуле при расчете фрезы при попутном фрезеровании, «-» - при встречном).
Сила сопротивления фрезы резанию рассчитывается по формуле
Робщ = (Р · i) / cos ψ ,
(2.11)
где Р – сила резания на одном ноже (формула 2..1); i - число одновременно работающих ножей; ψ - угол, зависящий от заточки ножа (Г.Н. Синеоков предлагает задавать угол ψ = 150 для острых ножей на влажных почвах и ψ = 0 – для тупых ножей на сухих почвах [10]). Точку приложения силы Pобщ многие авторы предлагают определять на половине глубины обработки почвы.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
93
2.3 Расчет вертикальной фрезы
Резание почвы при работе вертикальной фрезы ( рисунок 1.15) осуществляется торцовой и цилиндрической поверхностями. Угол контакта ножей с почвой по цилиндрическим поверхностям составляет 1800. Сила резания разлагается на две составляющие Рр = Рц + Рт ( где Рц – сила резания цилиндрической поверхностью; Рт - сила резания торцовой поверхностью). Сила резания цилиндрической поверхностью
Рц = р ⋅ s’ ⋅ a
(2.12)
где р – среднее удельное сопротивление почвы резанию, Н/мм2; s’ –
толщина срезаемой стружки (s’ ≈ s ⋅ sin α, где α - угол контакта ножей с почвой, α = 1800), мм; а – глубина обработки почвы, мм.
Сила резания почвы торцовой поверхностью фрезы
Рт = k’ ⋅ s’ ⋅b,
(2.13)
где k’ – удельное сопротивление резанию плоским ножем, Н/мм2; b –
толщина элемента ножа, выполняющего резание в торцовой плоскости, мм.
При отсутствии на вертикальной фрезе режущих элементов, расположенных в горизонтальной плоскости, вместо резания осуществляется скалывание почвенного пласта. Величина скалывающей силы принимается равной величине силы торцового резания почвы.
Величина полной работы одного ножа для вертикальной фрезы может
быть оценена по формуле [52,53,117,133]
A = (1,5 ⋅ p ⋅ a + k’ ⋅ b) ⋅ s ⋅ R [2 + (2 ⋅ Vп2 / 3 ⋅ Vокр2)],
(2.14)
где R – радиус фрезы, мм.
Мощность, затрачиваемая на фрезерование почвы одной вертикальной фрезы, определится
Nв = А ⋅ ω ⋅ zи,
(2.15)
где ω - угловая скорость фрезерного рабочего органа, рад/с; zи – число
вертикальных ножей.
Для приближенных практических расчетов, учитывая малое соотношение поступательной и окружной скоростей, можно воспользоваться формулой [7,8,133]
Nв = 2 ⋅ (1,5 ⋅ p ⋅ a + k’ ⋅ b) R ⋅ Vп
(2.16)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
94
Для расчета полной мощности, затрачиваемой на фрезерование, необходимо значение мощности, полученное по формуле 2.14, умножить на число
вертикальных роторов.
Полная мощность, необходимая на привод вертикальной фрезы, определяется аналогично определению мощности горизонтальных фрез.
При работе почвообрабатывающих машин с вертикальными рабочими органами усилия режущих элементов в горизонтальной плоскости уравновешиваются, поэтому тягового сопротивления на передвижение рабочих
органов не возникает.
2.3.1 Обоснование ширины захвата рабочего органа
Ширина захвата рабочего органа определяется мощностью агрегатируемого трактора. Если принять, что в формуле (1.5) мощность пропорциональна числу ножей на фрезе, то для горизонтальной фрезы мощность может
быть определена из выражения [7]
Lг = [(Nт – Nпер ) ⋅ lд] / [(Nф1 + Nот1) (2 -) ⋅ zд],
где Nт - мощность двигателя трактора; Nпер - мощность, затрачиваемая на передвижение фрезы; lд - расстояние между ножами, установленными
на одном несущем диске; η - коэффициент полезного действия; zд - число
ножей на диске; Nф1 - мощность, затрачиваемая на фрезерование, определенная по формуле 1.6 при z = 1; Nот1 - мощность, затрачиваемая на отбрасывание почвы, определенная по формуле 1.9 при z = 1.
Ширина захвата вертикального рабочего органа
Lв = [(Nт – Nпер ) ⋅ D] / [Nв (2 - η)],
(2.17)
где D – диаметр вертикального ротора (рисунок 1.15); Nв - мощность,
определенная по выражению (2.14).
Анализ технических параметров почвообрабатывающих машин показывает, что для оценочных расчетов можно принять, что на 1 м захвата лесной фрезы требуется мощность 45 – 60 кВт.
2.3.2 Обоснование конструктивных параметров
Диаметр ротора D выбирают из условия обеспечения необходимой
глубины обработки почвы, назначаемой из агротехнических требований. При
обосновании диаметра ротора необходимо учитывать, чтобы несущие диски,
предохранительные устройства, ведущие звездочки, корпусные детали, кожух и другие элементы машины проходили над поверхностью почвы с ми-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
95
нимальным клиренсом 50 – 60 мм. Анализ конструкций фрез показывает, что
для большинства машин это условие обеспечивается при соотношении
D = (2,5 – 3,5 ) ⋅ a
(2.18)
Число ножей на одном несущем диске zд обуславливается подачей s
и зависит от скорости движения почвообрабатывающего агрегата. Для сельскохозяйственных фрез, агрегатируемых с тракторами без ходоуменьшителей и работающих на скоростях в пределах от 3 до 5 км/ч, принимается zд =
4; 6; 8 [88,118].
Подача s задается, исходя из обеспечения допустимой с агротехнической точки зрения высоты гребней на дне пахотного слоя. Высота гребней не
должна превышать значения 0,2 ⋅ а. От подачи s зависит степень измельчения почвы, которая задается агротехническими требованиями. У большинства современных фрез, имеющих удовлетворительное качество крошения почвенного пласта, подача на нож составляет: для задернелых почв 4 – 8 см; для
старопахотных почв 10 – 15 см. У фрезерных канавокопателей подача составляет 3 – 6 см.
Окружная скорость вращения ротора (м/с) зависит от поступательной скорости агрегата Vп и от заданной подачи на нож s
Vокр = (2π⋅ Vп ⋅ D) / s ⋅ zд
(2.19)
Частота вращения (с-1) рассчитывается по формуле
n = (Vокр / π ⋅ D) = (2 ⋅Vп ) / (s ⋅ zд)
(2.20)
Расстояние между соседними дисками по длине ротора lд зависит
от формы и ширины изогнутой части ножа и находится для большинства
фрез в пределах от 100 до 200 мм.
2.3.3 Конструирование и расчет
Конструкции применяемых ножей показаны на рисунке 1.3, а их конструктивные параметры приведены в таблице 1.1.
Схема к расчету конструктивных параметров рабочих органов почвообрабатывающей машины с горизонтальной осью вращения ротора показана
на рисунке 2.1.
Как видно из рисунка 2.1 на нож фрезы действуют силы
Рл = p ⋅ bс ⋅ s sin αк;
Рб = k’ ⋅s ⋅ bн ⋅ sin αк,
(2.21)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
96
b
Ðë
à)
s/2
L
Ðá
Ðà
b
b/2
â)
á)
Ðàñ÷åòíûå ïàðàìåòðû íîæåé ïî÷âåííûõ ôðåç:
à - Ã-îáðàçíîãî; á - Ò-îáðàçíîãî; â - ïëîñêîãî
Рисунок 2.1 - Схема для расчета конструктивных параметров
фрезы с горизонтальной осью вращения
где p – удельное сопротивление почвы резанию, Н/мм2 (таблица 2.1);
bс – толщина срезаемой стружки, м, принимаемая равной толщине ножа; αк угол контакта ножей с почвой [αк = arccos ( 1 – a/R)]; s – подача на один нож,
мм; k’ – удельное сопротивление резанию плоским ножем, Н/мм2; bн ширина
ножа (по боковой поверхности), мм.
Если известны составляющие мощности измельчения (1.9), то силу
отбрасывания почвы ножем можно определить
Ра = Nот / (Vокр - Vп) ⋅ i,
(2.22)
где i- количество ножей на роторе, находящихся одновременно в контакте с почвой.
Как видно из рисунка 2.1,а на Г-образный нож действуют изгибающие и крутящие моменты
Ми = (Рл + Ра) ⋅ l + Рб (l – s/2); Мкр = (Рл + Ра) ⋅ b/2.
(2.23)
Из рисунка 2.1,б видно, что на Т-образный нож действует только изгибающий момент
Ми = (Рл + Ра) ⋅l + Рб (l – s/2);
Мкр = 0.
(2.23)
Для плоских ножей (рисунок 2.1,в) изгибающий момент определится
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
97
Ми = Ра ⋅ l + Рб (l – s/2).
(2.24)
При расчетах фрез, работающих на почвах, изобилующих древовидными включениями, камнями, с учетом возникновения в них ударных нагрузок, многие авторы рекомендуют удваивать значения моментов [1,7,8,9].
Расчет ножей на прочность производится по приведенному моменту
Мпр = (Ми2 + 4 ⋅ Мкр2)1/2.
(2.25)
Максимальное значение приведенного момента возникает в месте
крепления ножа к несущему диску.
Вал ротора почвообрабатывающей машины с горизонтальной осью
вращения рассчитывается на прочность по поперечной силе, изгибающему и
крутящему моментам (рисунок 2.2). Из рисунка видно, что вал ротора нагружен суммарной силой сопротивления почвы Рп и силой натяжения цепи
(ремня) привода фрезы. Суммарная реакция сопротивления ножей от почвы Рп = Рл ⋅ i+ Рб ⋅ i + Ра (i - число одновременно работающих ножей). Сила
натяжения цепи определяется Рц = Рп ⋅ D /d (D - диаметр ротора; d – диаметр
звездочки). Пусть силы Рп и Рц - параллельны, тогда их можно привести к
оси ротора и заменить их действие крутящими моментами. Допустим, что
сила сопротивления почвы Рп равномерно распределена между ножами и
равномерно распределена по валу ротора на участке АБ (рисунок 2.2,б). Сила
натяжения цепи приложена в точке В. Представляем вал ротора в виде балки
на двух опорах с консолью. Используя уравнения статического равновесия
вала, определяем реакции в опорах
RA = Рц ⋅ Lк + Рп ⋅ L/2;
RБ = [ Рп ⋅ L/2 – Pц (L + Lк) ] / L.
(2.26)
Под чертежем вала ротора изображаем эпюры поперечных сил и изгибающих моментов. Для участка АБ Q = RA – q ⋅ x (зависимость линейная);
при х = 0, Q = RA; при х = L, Q = RA – Pп. Для консоли БВ Q = - Рц – RБ.
Изгибающий момент на участке АБ МиАБ = RA ⋅ x – q ⋅ x2/2 (зависимость квадратичная); при х = 0, МиА = 0; при х = L, МиБ = RA ⋅ L – Pп ⋅ L2 /
(2 ⋅ L) = L (l – Pп/2). Как видно из рисунка, на участке АБ эпюра изгибающего
момента имеет экстремум. Максимальное значение МиАБ будет в сечении 1-1,
где поперечная сила Q обращается в 0. Для определения данного максимума
и места его приложения, необходимо исследовать уравнение моментов на
данном участке балки на максимум. Пусть d МиАБ /dx = QАБ = RA – Pп ⋅ x0 /L
= 0, откуда x0 = RA ⋅ L /Pп. Максимальный изгибающий момент в данной точке будет МиАБmax = RA⋅ x0 - q ⋅ x20/2 = RA2 ⋅ L /(2 ⋅ Pп). Изгибающий момент на
участке БВ МиБВ = Рц ⋅ х1 изменяется по линейному закону; при х1 = 0, МиБ
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
98
= 0; при х1 = Lк, МиВ = Рц ⋅ Lк.
Ðö
q=Pï/L
Ra
À
d
L
1
Rá
Lk
Á Â
1
D
x1
x
Ðö
Pï
Q
Mè
à)
Ìêð
á)
Рисунок 2.2 – Схема расчета вала ротора фрезы с горизонтальной
осью вращения
Крутящий момент на участке АБ вала МкрАБ = q ⋅ x ⋅ D /2 = Pп ⋅ D ⋅ x
/(2 ⋅ L) изменяется по линейному закону; при х = 0, МкрА = 0; при x = L, МкрБ =
Pп ⋅ D / 2. Крутящий момент на консоли вала постоянен МкрБВ=Рц ⋅d /2 = Рп ⋅D
/ 2.
Расчет прочности по крутящему моменту выполняется для сечения Б,
а по эквивалентной нагрузке для опасного сечения 1-1, в котором изгибающий момент максимален.
При расчете рабочих органов почвообрабатывающих машин с вертикальной осью вращения ротора учитывают тот факт, что вертикальная фреза
не создает тягового сопротивления. Поэтому вал ротора рассчитывают только на кручение. Схема для расчета ножа показана на рисунке 1.15.
На нож вертикальной фрезы действует сила резания, равная сумме
сил резания цилиндрической и торцовой частями фрезы, Pp = s ⋅ sinα (p ⋅ a +
k’ ⋅ bн). Угол α контакта ножа с почвой меняется в пределах от 0 до 1800.
Очевидно, что максимальное значения силы резания почвы достигается при
α = 900. Тогда Ppmax = s ⋅ (p a + k’ ⋅ bн). Изгибающий момент, действующий на
нож вертикальной фрезы в опасном сечении (считаем, что результирующая
реакции почвы приложена на половине глубины обработки почвы) Миmax = s ⋅
(p ⋅ a + k’ ⋅ bн) ⋅ (H - a/2) [H – длина консольной части ножа (рисунок 1.15)].
Если определена мощность, затрачиваемая на привод вертикальной фрезы
(1.21), тогда Мкр = Nв / ω.
Возможны расчетные случаи, когда агрегат с вертикальной фрезой
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
99
начинает перемещаться, а вращение фрезы еще не включено. В данном случае на валу возникает изгибающий момент, величина которого может быть
приближенно определена по формуле [7]
Ми = m ⋅ (Σ b1 ⋅ ⋅ k ) ⋅ (H’ – a /2),
(2.27)
где m – количество вертикальных фрез в машине; Σ b1- сумма проекций ширины всех ножей на вертикальную плоскость, см2; a – глубина обработки почвы; k – удельное сопротивление почвы при перемещении ножа (k =
8 – 12 Н/см2); H’ – высота фрезы (рисунок 1.15).
2.4 Анализ параметров режущих рабочих органов
барабанного типа
Конструктивными параметрами барабанных измельчающих рабочих
органов являются диаметр барабана D и высота расположения горловины
относительно оси вала барабана h. Типичным представителем рабочего органа барабанного типа является измельчитель древесины (рисунок 2.3). Пусть
ω - угловая скорость барабана, вращение по направлению, указанному стрелкой (рисунок 1.36). Тогда из рисунка видно, что горизонтальная составляющая линейной скорости ножа меняет свое значение, а поступательная скорость подачи материала в измельчитель остается постоянной. Наиболее благоприятные условия для подачи материала в измельчитель создаются во втором квадранте. Если горловину измельчителя расположить в данном квадранте, то материал будет втягиваться в измельчитель ножами
Va = D/2
Vìàò
a
Vãîð
2
Vá
h
1
Vðåç
Рисунок 2.3 – Схема работы барабанного измельчителя
Высоту h определяют из соотношения [3]
Vá
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
100
h = a + D ⋅ Vмат /2⋅ Vб ,
(2.28)
где а – толщина слоя измельчаемого материала, равная высоте горловины; D - диаметр барабана; Vмат – скорость подачи материала в измельчитель; Vб – окружная (линейная) скорость ножа.
Поскольку ножи на барабане устанавливаются дискретно, то для
обеспечения плавного резания, они устанавливаются под углом либо их лезвия выполняются криволинейными. Для обеспечения равномерной нагрузки
на вал ротора, ножи на развертке барабана устанавливаются с перекрытием,
равным толщине слоя измельчаемого материала. Исходя из этих условий радиус барабана определится [3]
Rб = z (Lб ⋅ tg τ + a )/ 2π,
(2.29)
где z – число ножей на барабане; Lб – длина барабана; τ -угол скольжения; а – высота горловины.
Число ножей на барабане z определяется, исходя из обеспечения условий балансировки и необходимости изменения длины резки, и составляет
для рассмотренных в разделе 1.3 роторных рабочих органов, от 2 до 12. Наибольшее распространение получили прямые ножи, благодаря простоте изготовления, монтажа, регулировки и заточки. Для высокоскоростных роторов,
при частоте вращения барабана свыше 1500 мин-1), используется принцип
измельчения нормальным резанием (рубка). С целью снижения энергоемкости измельчения и повышения плавности загрузки ротора используются ножи, лезвия которых выполнены по кривой или установленные под углом образующей барабана. Эти конструктивные решения позволяют избежать установки на роторах маховиков большой массы. В таких измельчителях процесс
резания осуществляется и нормальным и скользящим резанием материала.
Обычно угол наклона лезвий по отношению к образующей барабана принимается в пределах от 24 до 30 0. Длина лезвий ножей принимается одинаковой, исходя из конструктивного соотношения [30]
B ⋅ tg τ = π ⋅ D2 /z,
(2.30)
где В – ширина горловины.
Производительность барабанного измельчителя может быть оценена
по формуле [47]
Q = 3,6 ⋅ a ⋅ Lб ⋅ lc ⋅ γ ⋅z ⋅n ⋅ β
(2.31)
где lc – средняя расчетная длина резки, м; γ - плотность материала перед подачей в измельчитель ,кг/м3 (солома – 54-100 кг/м3; сено – 106; силос –
405; зеленая масса – 234); n – частота вращения барабана, об/мин; β - коэффициент, учитывающий совместную работу измельчителя с другими рабочими органами (β = 0,5 – 0,7 при работе совместно с питателем).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
101
2.5 Обоснование параметров дисковых измельчающих
рабочих органов
Типичным представителем дискового измельчающего рабочего органа является рабочий орган рубительной машины (рисунок 1.28). Режим резания в дисковых измельчающих рабочих органах определяется размерами
горловины для подачи измельчаемого материала, расстоянием h от оси вращения ротора до противорежущего элемента, вылетом ρ ножа (рисунок 2.4),
а также геометрической формой лезвия. Основные конструктивные размеры
дискового режущего рабочего органа связаны между собой зависимостью
[30,36,44]:
r2 = u2 + h2; u = r ⋅ cos (τ- χ); h = r ⋅ sin (τ- χ) = u ⋅ tg (τ- χ).
(2.32)
Высота горловины h = 0,5 ⋅ ρ или h = 0,6 ⋅ c [30,44].
Анализ конструктивных решений дисковых измельчающих рабочих
органов показывает, что обычно противорежущая пластина устанавливается
ниже горизонтального диаметра диска. Размеры горловины по рекомендациям ВИСХОМа выбирают в интервале для ширины 300 – 450 мм, для высоты
– 100 – 300 мм [30].
В дисковых режущих аппаратах наибольшее распространение получили ножи с прямым или криволинейным лезвиями. Эффективность применения криволинейного лезвия доказал В.П. Горячкин. Наиболее эффективной
формой кривой лезвия является Архимедова спираль, однако, практически в
конструкциях машин используется наиболее близкая к этой спирали дуга
эксцентрической окружности (Патент № 522081, Австралия).
Следует отметить, что в конструкциях дисковых измельчающих рабочих органов нашли распространение ножи с прямолинейными лезвиями.
Они отличаются простотой изготовления, высокой несущей способностью,
легко монтируются в машине, удобно затачиваются.
Момент инерции маховика дискового измельчающего рабочего органа выбирают, исходя из обеспечения устойчивой работы. Для устойчивой работы рекомендуется неравномерность вращения задавать в интервале от 0,03
– 0,07 [43].
Производительность дискового измельчающего рабочего органа определяют по формуле [4,46,47,112]
Q = a ⋅ b ⋅ l ⋅ ⋅ ρ ⋅ n ≈ 0,16 ⋅ a ⋅ b ⋅ l ⋅ z ⋅ ρ ⋅ ω,
(2.33)
где а – толщина слоя материала, подаваемого в измельчителеь. м; b –
ширина горловины измельчителя, м; z – число ножей (z = 2 – 6); n – скорость
вращения диска, об/с; l –расчетная длина резки, мм (6 – 30); ρ - плотность
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
102
измельчаемого материала, кг/м3 (для травы 350 – 500); ω - угловая скорость
вращения, рад/с.
u
h
a
å
è
â
Ë åç
c
b
y
Рисунок 2.4 - Схема функционирования дискового рабочего органа и
основные конструктивные параметры
2.6 Обоснование параметров рабочих органов
измельчителей ударного действия
Измельчающие рабочие органы разделяют материал на части по
принципу ударного воздействия. В основу практических расчетов измельчителей ударного воздействия на материал положена теория дробления П.А.
Ребиндера. Для конструктивных расчетов рабочих органов кормоизмельчителей используется формула С.М. Мельникова [30]
Аизм = Спр [kv ⋅ lg λ3 + ks (λ - 1)],
(2.34)
где Аизм - работа, затрачиваемая на измельчение; Спр – коэффициент,
учитывающий физико-механические свойства материала, тип рабочих органов и вид измельчения; kv - коэффициент, оценивающий работу упругих деформаций, отнесенную к единице массы измельчаемого материала (определяется вдавливанием на глубину 0,5 мм цилиндрического индентора диаметром 0,65 мм), кДж/кг; ks – коэффициент, оценивающий затраты энергии на
получение новых поверхностей при измельчении 1 кг материала, кДж/кг; λ степень измельчения материала. В таблице 2.3 приведены значения коэффициентов, входящих в формулу 2.34, для измельчаемых кормов.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
103
Таблица 2.3 -
Значения коэффициентов, входящих в
формулу С.В. Мельникова [30,112]
Наименование материала
Солома:
ржаная;
ячменная
Свежескошенная трава
Сено:
люцерновое;
из разнотравья
Ячмень
Рожь
Пшеница
Спр
kv ,кДж/кг
ks,
кДж/кг
1,2
0,7 0 0,9
0.7 – 0,9
0,7 – 0,9
0,12
0,12
0,10 – 0,20
1,3
1,1 – 2,0
0,7 – 0,9
0,7 – 0,9
1,2
1,4
-
0,23
0,24
8,5
8,4
4,6
2,3
2,4
7,50
6,40
8,15
Основным параметром измельчителей ударного действия, определяющим эффективность рабочего процесса, является линейная скорость измельчающих элементов. Согласно теории контактных напряжений Герца и
теории колебания тел при ударе, предельная скорость удара определяется по
формуле [48,81]
(2.35)
Vуд = σр (Е/ρ)1/2 ⋅ Е ,
где σр – разрушающее напряжение в материале; Е – модуль упругости
материала; (Е/ρ)1/2 – скорость распространения звука в материале. Теория
Герца справедлива только для упругих материалов.
При расчетах скорости движения измельчающих элементов необходимо учитывать скорость движения измельчаемого материала. По данным
В.В. Алешкина и П.М. Рощина [44], скорость движения измельчающих элементов должна быть больше в два раза скорости циркуляции воздушнопродуктового потока в рабочей камере. По их данным, скорость разрушающего воздействия на материал определяется
Vраз = [kд ⋅ σвст ⋅ ln (a/x) / ρ]1/2 ,
(2.36)
где kд - коэффициент динамичности, равный отношению динамического и статического предела прочности (для кормоизмельчителей kд = 1,9 –
2,0); σвст - статический предел прочности; а – длина измельчаемой частички;
х – величина недеформируемой части; ρ - плотность материала.
В современных конструкциях линейная скорость движения измельчающих элементов составляет значения от 40 до 120 м/с. Максимальные значения скоростей резания наблюдаются у партерных газонокосилок и у дезинтеграторов, имеющих по два ротора, вращающихся в разные стороны.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
104
Степень измельчения материала определяется количеством измельчающих элементов (молотков), диаметром отверстий решет, технологическим зазором между концами измельчающих элементов и решетами. Конструктивными параметрами являются размеры ротора и молотков, их количество, способы установки молотков на роторе. В процессе измельчения материала молотки получают импульсное воздействие. Анализ движения молотков показывает, что реакции от молотков не будут передаваться на ротор, если ось шарнира крепления молотка к ротору совпадает с центом вращения
молотка. Неправильный подвес молотка к ротору приводит к вибрации ротора и износу опорных элементов. В работе [30] приводится условие динамического уравновешивания ротора. На рисунке 2.5 показана схема уравновешивания ротора.
В работах С.В. Мельникова [30,112] дано соотношение
ρ02 = с ⋅ l ,
(2.37)
где ρ0 – радиус инерции молотка относительно оси шарнира его крепления к несущему диску; с – расстояние от оси подвеса молотка до его центра тяжести; l- длина молотка от шарнира подвеса до свободного конца (рисунок 2.5).
Для молотков с двумя отверстиями для крепления соотношение размеров составляет [44,112]: c = (а2 + b2) /12 (a – длина молотка, b – ширина
молотка).
c
l
Ic
d
l
0
b
1
mc(dw/dt)
0
a/2
P
R
c
Ra
a
a)
á)
Рисунок 2.5 - Схема уравновешивания ротора: а) – схема сил, действующих на молоток; б) схема работы молотка
При взаимодействии измельчаемых элементов с частичками материала определенной величины они (молотки) отклоняются от положения стати-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
105
ческого равновесия и совершают затухающие колебания. В нашей работе
[49] угол отклонения определялся методом динамического равновесия без
учета трения в шарнире. В работах [30,112] утверждается, что устойчивое
движение молотков с учетом трения в шарнире их крепления к ротору обеспечивается при условии: Ra = 2,25 ⋅ l или Ra = 4 ⋅ l, где Ra – радиус несущего
диска по осям шарниров, l - длина молотка. Длина молотка принимается из
соотношения: l = (0,154 – 0,2 ) ⋅ D. При диаметре ротора меньше 0,4 м значение l выбирается по верхней границе приведенного выше соотношения [44].
На предварительной стадии расчетов длину и ширину молотков устанавливают по соотношениям [44]:
a = 1,51 ⋅ l ≈ 0,23 ⋅ D; b ≈ (0,4 – 0,5) ⋅ a ≈ 0,1 ⋅ D.
(2.38)
Окончательные размеры молотков принимаются по соответствующим
стандартам.
Основными конструктивными параметрами роторного измельчителя
являются диаметр ротора D и длина ротора L. Основные конструктивные
параметры ротора определяют исходя из заданной производительности по
показателю удельной нагрузки [30,112]: q’ = Q / D ⋅ L (q’ – удельная производительность, кг/см2; Q – производительность измельчителя, кг; D – диаметр
ротора; ⋅L – длина ротора). Удельная нагрузка на измельчитель нормируется в
зависимости от окружной скорости молотков [30]:
при v = (45 – 50 )м/с
q’ = (2 – 3) кг/см2;
при v = (70 – 80 )м/с
q’ = (3 – 6) кг/см2.
Соотношение диаметра и длины ротора может быть различным. Машиностроением для кормопроизводства выпускается кормодробилки нескольких типоразмеров [44]: 1-й тип – с большим диаметров и небольшой
длиной, для которых k = D/L = 4 – 7; 2-й тип – с небольшим диаметром и
большой длиной, для которых k = D/L = 1 – 2. Исходя из вышеуказанного соотношения, диаметр ротора может быть определен
D = (k ⋅ Q / q’)1/2
.
(2.39)
Число измельчающих элементов на роторе может быть определено
[30]
z = (L - ∆L) ⋅ kz /b ,
(2.40)
где L – рабочая длина ротора, м; ∆L – суммарная толщина несущих
дисков, не перекрываемых измельчаемыми элементами, м; kz - число измельчающих элементов на одном несущем диске, идущих по одному следу
(kz = 1 – 6); b – толщина измельчающего элемента, м ( принимается равной 2
– 10 мм).
Мощность, необходимая для привода ротора, определяют по изме-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
106
ненной формуле В.П. Горячкина [44]
N = Nизм + Nц + Nхх ,
(2.41)
где Nизм - мощность, затрачиваемая на измельчение, Nизм = Аиз ⋅ Q;
Аиз - работа измельчения (1.7); Nц - мощность, расходуемая на циркуляцию воздушно-продуктового потока в рабочей камере измельчителя; Nхх
- мощность холостого хода. Обычно Nизм + Nц = (15 – 20) % ⋅Nизм, тогда N =
(1,15 – 1,20) ⋅ Nизм [47].
Производительность молоткового ротора оценивают по эмпирической формуле [50]
Q = 3,6 ⋅ k1 ⋅ ρ ⋅ D ⋅ L ⋅ n /60 ,
(2.42)
где k1 - эмпирический коэффициент, зависящий от типа и размеров
сита; ρ - плотность материала, кг/м3; D – диаметр ротора, м; L – длина ротора, м; n – частота вращения ротора, мин-1. k1 = (1,3 – 1,7) ⋅ 10-4 для сит с отверстиями до 3 мм; k1 = 2,2 ⋅ 10-4 для чешуйчатых сит с отверстиями диаметром 3 – 10 мм [50].
В случае измельчения ротором крупнокускового материала, когда
масса молотка соизмерима с массой отдельного куска материала (измельчение древовидных остатков), важным параметром измельчителя является соотношение массы молотка и куска материала.
Исследованиями [47] установлено, что с увеличением скорости движения молотков средневзвешенный размер измельченных частиц материала
уменьшается, а удельный расход энергии возрастает. Определен оптимум
для скорости измельчения по критерию энергозатрат, который для клиновидных молотков составляет 45 – 55 м/с (Беренс). Для молотков с плоской передней гранью при измельчении корнеплодов данный оптимум находится в
пределах от 50 до 60 м/с [50]. В работе [2] приводятся результаты исследований молотков прямоугольной, ступенчатой, фрезерной и клювовидной
форм с клиновидной передней гранью. Толщина молотка, при которой достигается минимум удельных энергозатрат и устраняется излишнее измельчение, составляет 6 – 8 мм при клиновидной передней грани и 10 – 12 мм –
при плоской. Установлено, что наиболее эффективная работа измельчителя
достигается при соотношении l/Rа = 0,37 (l- длина измельчающего элемента
от оси подвеса до свободного конца; Rа – радиус ротора от оси вращения до
шарниров крепления к нему измельчающих элементов). Параметр Rа задают, исходя из особенностей установки молотков на роторе и размеров кусков, Rа = 90 – 120 мм.
Общую длину ротора определяют из условия обеспечения уравновешенности ротора и длины молотка [2]
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
107
L = 0,25 [3 ⋅ l + (9 ⋅ l2 – 4 ⋅ b2)1/2],
(2.43)
где l – длина молотка; b –толщина молотка.
Расстояние между соседними измельчающими элементами по оси ротора задают исходя из скорости измельчения. В частности, для клиновидных
молотков при скорости измельчения 45 – 55м/с данное расстояние задают в
пределах от 16 до 24 мм [2].
Для минимизации энергозатрат зазор между концами измельчающих
элементов и декой принимают минимальным, но не менее средневзвешенного размера измельченной частички [2].
Затраты энергии для измельчения кускового материала могут быть
рассчитаны по формуле В.П. Горячкина:
N = Nxx + Nиз + Nv
(2.44)
где Nxx - мощность холостого хода ротора; Nиз – мощность, затрачиваемая на измельчение; Nv – мощность, затрачиваемая на сообщение измельчаемому материалу кинетической энергии.
Мощность холостого хода обуславливается трением в опорах ротора
и сопротивлением воздуха [2]
Nхх = (Pоп⋅f⋅r + M⋅Sб ) ⋅ ω + 0,5⋅γв (kл⋅kв⋅Sм ⋅ R03⋅αr + k’л⋅ kв⋅Sв ⋅R0в3) ω3,
где Pоп – суммарная реакция опор ротора; f – коэффициент трения в
опорах; r – радиус цапфы в опоре; М – момент трения, отнесенный к единице
боковой поверхности ротора; Sб – площадь боковой вращающейся поверхности ротора; ω - угловая скорость вращения ротора, рад/с; γв – плотность воздуха; kл – коэффициент лобового сопротивления молотка; k’л -коэффициент
лобового сопротивления распорных втулок; kв – коэффициент, учитывающий
взаимодействие потоков, создаваемых вращающимися деталями ротора; Sм площадь лобовой поверхности молотков; Sв - площадь лобовой поверхности втулок; R0 - радиус центра тяжести лобовой поверхности молотков; R0в радиус центра тяжести лобовой поверхности втулок; αr – коэффициент, зависящий от соотношения длины молотка lм к радиусу расположения центра
тяжести его лобовой поверхности R0. αr = 1 + 0,25 (lм/ R0) [2].
Мощность, затрачиваемая непосредственно на измельчение [2]
Nиз = (q2⋅6⋅Q/ρ) {1/lc – k{0,5 ⋅ dk +
(l2k+0,25⋅d2k) /dk ⋅ lk]}
(2.45)
где q2 – удельный расход энергии на образование новой поверхности;
Q – производительность измельчителя; ρ - плотность куска измельчаемого
материала; lc - средневзвешенный размер измельченных частичек материала;
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
108
k – коэффициент. учитывающий отклонение формы куска материала от формы правильного конуса; dk, lk – размеры куска материала (диаметр и длина).
Мощность, затрачиваемая на сообщение измельчаемому материалу
кинетической энергии [2]
Nv = Q⋅V2/2
(2.46)
где V – абсолютная скорость частиц измельченного материала.
Выводы по конструктивному и параметрическому анализу:
Приведенный выше анализ конструкций роторных рабочих органов и
обоснования проектных параметров показывает, что конструктивные параметры отличаются большим разбросом числовых значений, а сами конструктивные решения – большим разнообразием. Параметры рабочих процессов
основываются с использованием различных теоретических предпосылок с
большими условностями и допущениями. Расчеты параметров выполняются
с использованием удельных показателей, полученных экспериментальными
методами. При расчете роторов зачастую не учитывается его взаимодействие
с другими элементами машин и с окружающей средой. При конструированию применяются материалы с невысокими прочностными свойствами.
Особенности функционирования роторных рабочих органов (значительная частота вращения, высокие скорости и ускорения взаимодействия со
специфическим предметом труда, зачастую ударный характер нагружения)
предъявляют повышенные требования к уравновешенности роторов, точности выполнения расчетов его элементов, учета всех особенностей протекания
процесса измельчения.
Таким образом, обоснование проектных параметров роторных рабочих органов лесохозяйственных машин можно осуществить только на основе системного конструирования с использованием системного подхода и новых информационных технологий с целью усовершенствования разработки
конструкторской документации, обеспечения поиска оптимальных вариантом в более короткие сроки, уменьшения вероятности ошибок конструирования.
Необходимо разработать концепцию конструирования роторных рабочих органов лесохозяйственных машин на основе методов системного
подхода, дать анализ конструкций по выполняемым функциям, установить
общие закономерности устройства рабочих органов. Обосновать типоразмерный ряд по главному проектному параметру. Разработать топологические
конструктивные схемы роторных рабочих органов, общие для роторов, независимо от их функционального назначения. Создать предпосылки для разработки системы автоматизированного проектирования
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
109
3 Разработка концепции конструирования
роторных рабочих органов
3.1 Общие основы разработки концепции конструирования
роторных рабочих органов лесохозяйственных машин
Анализ конструктивных решений и обоснованности параметров, приведенный в предыдущих разделах, показывает, что в последнее время существенно усложняются конструкции лесохозяйственных машин, снабженных
роторными рабочими органами, интенсифицируются способы их воздействия
на предмет труда, совершенствуются методы конструирования на основе новых информационных технологий. Технологические процессы, в которых задействованы человеко-машинные комплексы, быстро изменяются, и к ним
предъявляются высокие социальные и экологические требования, а также потребности рынка. Машиностроительное производство способно предложить
новые технологии на основе современных материалов, обладающих высокими прочностными и технологическими свойствами, имеющих весьма разнообразные профили и номенклатуру. Действующая в нашей стране система
разработки и постановки продукции на производство позволяет охватить
весь комплекс проблем, решаемых конструкторами, только на основе системного конструирования, использования широкого спектра передовых научных методов и способов подхода к проектированию с применением новых
информационных технологий и технических средств.
Особенностью лесохозяйственных машин является то, что они имеют
дело со специфическим предметом труда и функционируют исключительно в
окружающей среде лесохозяйственного производства и вытекающих отсюда
особых требований. Эти обстоятельства накладывают решающие ограничения на выбор конструктивных решений при разработке конструкторской документации.
Целью разработки концепции конструирования роторных рабочих
органов является сокращение сроков создания лесохозяйственных
машин. Для решения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) создать метод системного конструирования роторных рабочих органов на основе системного анализа и синтеза, который бы учитывал особенности лесохозяйственного производства, требования
экологичности и безопасности жизнедеятельности;
2) повысить надежность создаваемых устройств за счет всестороннего учета при проектировании факторов, влияющих на функционирование рабочих органов, снизить вероятность ошибок конструирования за счет проработки технических решений и моделирования на ЭВМ;
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
110
3) понизить материалоемкость изделий за счет применения новых
конструкционных материалов, обладающих повышенной прочностью, а также за счет использования облегченных профилей;
4) снизить затраты на разработку конструкторской документации и
повысить ее качество на основе использования новых информационных технологий и повышения квалификации разработчиков.
3.1.1 Учет требований лесного хозяйства при
конструировании машин
Результаты лесохозяйственного производства, как части лесного хозяйства, напрямую зависят от применяемых машин, оборудования, инструментов и технологических приемов. В свою очередь, само производство
предъявляет к средствам труда биотехнические, технические, экономические,
социальные и экологические требования.
Лесное хозяйство имеет свои особенности, которые учитываются при
конструировании:
1) лесной фонд находится в государственной собственности и всякая деятельность в нем, в т.ч. и производственная, жестко регулируется законами и нормативными документами;
2) результаты лесохозяйственной деятельности зачастую не имеют
видимой сиюминутной отдачи, которая может проявляться только через много лет;
3) основные средства производства, лесной фонд и земля по своим
размерам и качеству не увеличиваются, а сокращаются в связи с
техногенным воздействием на природу;
4) предметом труда часто являются живые организмы, обладающие
специфическими свойствами. Физико-механические свойства
предмета труда очень разнообразны и до настоящего времени
полностью не изучены;
5) производство носит сезонный характер и сильно зависит от климата, рельефа местности, погодных условий. Большая часть производства осуществляется в зонах с долговременной мерзлотой,
на переувлажненных почва, в горных условиях;.
6) неразвитость дорожной сети и инфраструктуры производства,
отдаленность от мест базирования техники и рабочей силы, низкая концентрация средств производства на единицу площади,
высокий процент ручного труда.
Особенности лесного хозяйства учитываются при конструировании и
изготовлении машин, при организации их эксплуатации и технического обслуживания.
Анализ конструктивных решений применяемых технических устройств показывает, что наибольшее распространение в лесном хозяйстве по-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
111
лучили мобильные машины, работающие в составе агрегата. Это объясняется
сезонностью лесохозяйственного производства, малой концентрацией предмета труда на единицу лесохозяйственной площади, невозможностью и нерациональностью его транспортирования для переработки. Как в сельском,
так и в лесном хозяйстве машины работают в составе производственных
комплексов.
Лесохозяйственные машины относятся к изделиям машиностроения,
которые отличаются не только высокими затратами на их разработку и изготовление, но и затратами на эксплуатацию, техническое обслуживание, ремонт и транспортирование.
Поскольку стоимость зарубежных аналогов лесохозяйственных машин с учетом доставки их через таможенные барьеры является очень высокой, то существует настоятельная необходимость в разработке и совершенствовании отечественных машин, которые бы по своим техническим параметрам не уступали зарубежным образцам.
Разработка новых лесохозяйственных машин часто длится несколько
лет, требует значительных материальных и интеллектуальных затрат. Для сокращения сроков разработки следует использовать концепцию конструирования с использованием системного анализа и системного синтеза на основе
учета большого числа технологических факторов, высокой технической
сложности изделий и длительного срока окупаемости.
Теории конструирования сельскохозяйственных и лесохозяйственных машин, как самостоятельные научные направления, имеют очень много
общих подходов, хотя исторически начала разрабатываться раньше теория
сельскохозяйственных машин. В настоящее время теория конструирования
лесохозяйственных машин оформилась в отдельное научное направление,
которая обобщает новые и новейшие достижения по проектированию, изготовлению и эксплуатации машин для лесного хозяйства.
3.2 Основные принципы разработки концепции
конструирования роторных рабочих органов
Согласно общей теории конструирования машин под концепцией понимают схему решения задачи создания технической системы.
Цель – обеспечение поиска оптимальной конструкции в наиболее короткие сроки с наибольшей вероятностью. При выборе известных способов и
их совершенствовании руководствуются следующими требованиями:
1) учет особенностей решения задачи конструирования объекта, хотя
процесс проектирования регламентируется действующими стандартами независимо от типа изделия и вида конструирования с жестким разграничением задач;
2) возможность выбора оптимальных решений. Применение методов
оптимального конструирования дает возможность с системных
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
112
позиций и с минимальными затратами времени находить наилучшие технические решения;
3) отсутствие противоречий с методами, применяемыми в других областях науки и техники. Методика конструирования расширяется
за счет использования апробированных методов на основе фундаментальных научных дисциплин;
4) возможность применения компьютеров при конструировании. Методы проектирования должны иметь четкий алгоритм принятия
решений, строгий язык представления результатов проектирования
(в виде конструкторской документации);
5) обеспечение роста производительности конструкторского труда,
улучшение условий работы, повышение квалификации;
6) возможность совершенствования методики и пополнения базы
данных, преемственность с предшествующими методами.
Наиболее в полной мере вышеуказанным требованиям удовлетворяют
методы системного конструирования, изложенные в работах зарубежных [54
- 59, 62, 69, 75, 85,136,137] и отечественных авторов [61, 63, 64, 67, 68, 77 –
80, 96,99,121,122].
Основы концепции конструирования лесохозяйственных машин изложены нами в опубликованной работе [60]. Суть подхода заключается в
том, что лесохозяйственная машина – объект проектирования, представляется как техническая система, имеющая сложную иерархическую структуру и
тесно взаимосвязанную с окружающей средой, технологическим процессом,
технологическими методами и процессом конструирования. Иерархическая
схема взаимосвязи этих процессов представлена на рисунке 3.1.
По типу решаемых задач представим концепцию в виде четырехуровневой системы, в которой каждый уровень имеет свой язык проектирования,
свою систему концепций, принципов и методов. Каждая система оценивается
объектами и связями между ними. Все объекты, входящие в концепцию конструирования, можно условно объединить в пять групп (рисунок 3.1):
1. Задачи, относящиеся к природным объектам (окружающая среда,
предмет труда, измельчаемый материал). Данные задачи являются наиболее
важными, поскольку их решение направлено на удовлетворение потребностей общества и сохранение окружающей среды. Свойства, характеризующие
предмет труда, определяют назначение машины;
2. Задачи, относящиеся к методологии проектирования и организации
функционирования человеко-машинных комплексов;
3. Методы решения технологических задач при конструировании лесохозяйственных машин (процессы, приемы, технологические операции, рабочий ход и рабочий процесс, как единое целое);
4. Задачи, относящиеся к разработке конструкции технической системы (система машин, машина, рабочий орган, элементы рабочего органа);
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
113
5. Задачи, относящиеся к разработке конструкторской документации.
Автоматизированное проектирование и разработка конструкторской документации на ЭВМ.
Îáúåêòû
1õi+1
Èçìåëü÷àåìûé
ìàòåðèàë
1õi
Ïðåäìåò òðóäà
2õi+1
Òåõíîëîãè÷åñêèé
ñïîñîá
2õi
Òåõíîëîãè÷åñêèé
øàã
3õi+1
Ðàáî÷èé
õîä
4õi+1
Èçìåëü÷
ýëåìåíò
3õi
Ðàáî÷àÿ
îïåðàöèÿ
4õi
Ðàáî÷èé
îðãàí
Ïðîöåññ
êîíñòðóèðîâàíèÿ
2 ïîðÿäêà
5õi+1
i +1
2õi-2
Òåõíîëîãè÷åñêèé
ìåòîä
3õi-1
3õi-2
Òåõíîëîãè÷åñêàÿ
Òåõíîëîãè÷åñêèé
îïåðàöèÿ
ïðîöåññ
4õi-1
Ðàáî÷àÿ
ìàøèíà
5õi
i
1õi-2
Îêðóæàþùàÿ ñðåäà
Ïðîöåññ
êîíñòðóèðîâàíèÿ
1 ïîðÿäêà
i-1
4õi-2
Ñèñòåìà
ìàøèí
Ïðîöåññ
êîíñòðóèðîâàíèÿ
0 ïîðÿäêà
5õi-2
i-2
1 Ïðèðîäà
2 Ìåòîäû
3 Òåõíîëîãèÿ
4 Êîíñòðóêöèÿ
5. Êîíñòðóèðîâàíèå
Óðîâíè
Рисунок 3.1 – Иерархическая схема концепции конструирования
Объекты, входящие в систему, имеют горизонтальные и вертикальные связи. Сущность системного конструирования заключается в установлении не только свойств объектов, входящих в систему, но и установление
связей между ними. Разработка объектов, входящих в систему, выполняется
в направлении, указанному стрелками (на рисунке 3.1 – справа налево).
Наиболее высоким уровнем, на котором происходит обобщение
свойств объектов более низкого уровня i → i+1, является уровень i+1 (за i уровень выбран уровень, на котором происходит проектирование рабочих
органов лесохозяйственных машин). На каждом уровне объекты проектирования имеют соответствующие горизонтальные связи.
Для природных объектов на низшем уровне разрабатываются экологические требования, предъявляемые к создаваемой технической системе
[66]. Затем, на основе потребностей рынка и общества, обосновываются требования, предъявляемые к предмету труда. На высшем уровне решаются задачи, относящиеся к измельчаемому материалу.
Технологическая задача при конструировании машин решается с раз-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
114
работкой процессов, приемов, технологических операций, способов и рабочего процесса как единого целого с оптимизацией связей между всеми элементами. В ходе разработки рабочего процесса, выполняемого лесохозяйственной машиной, определяются рабочие ходы и приемы, а также технологические операции с учетом выходных и входных параметров предмета труда, а
также его структуры, свойств и характеристик.
В настоящее время рабочие процессы, выполняемые лесохозяйственными машинами, разработаны на практическом и теоретическом уровне и
носят характер научных теорий и закономерностей. На современном этапе
развития науки задача заключается в учете разработок специалистов лесного
хозяйства машиностроителями.
Сам процесс конструирования разбивается на несколько этапов, соответствующих уровню рассмотрения системы:
1 Процесс конструирования нулевого уровня
На данном уровне выполняется выбор системы лесохозяйственных
машин из ряда машин по параметрам, которые рассматриваются как элементы данной системы. В качестве технологической составляющей на данном
уровне рассматривается технологический процесс, выполняемый на основе
технологического метода и осуществляемый в окружающей среде с учетом
экологических требований.
Данный процесс конструирования, основанный на использовании
компьютерных технологий применительно к машинам для рубок ухода, подробно изложен в работах Ю.Ю Герасимова. и В.С. Сюнева [65,66]. В данных
работах основой принятия решений является имитационное моделировании
на ЭВМ модельной лесосеки, обладающей вертикальной и горизонтальной
структурой, с учетом климатических, почвенных и производственных условий.
Если на основе существующей технологии и конструкций принятие
решения невозможно, то выполняется переход к следующему уровню, на котором осуществляется разработка конструкции машины.
2 Процесс конструирования первого порядка
Разработка машины осуществляется от агрегата и идет к выявлению
облика требуемой машины, выполняющую соответствующую технологическую операцию. При таком подходе машина конструируется на основе
структурной схемы из ранее существующих модулей и агрегатов. Рабочий
орган машины выполняет рабочую операцию при взаимодействии с предметом труда.
Если какой-либо элемент системы не разработан, то выполняется переход на следующий уровень
3 Процесс конструирования второго порядка
На данном этапе разрабатываются отдельные детали машин, выполняющие определенные функции на основе чаще всего нового технологического способа. На основе деталей конструируются сборочные единицы, не-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
115
обходимые для разработки машины. Данный этап является наиболее сложным и требует применения четких процедур и алгоритмов.
Возможен и иной подход к конструированию при котором на первоначальном этапе разрабатываются схемы машины, а на их основе общие виды, сборочные единицы и детали. Такой подход оправдан при разработке
уникальных машин.
Повторяем, что в системе все взаимосвязано, особенно технология и
конструкция. Конструирование любого элемента системы выполняется с учетом требований технологии. Любой разрыв связей ведет к ошибкам конструирования.
Из рисунка 3.1 видно, что наряду с основами лесохозяйственных технологических процессов при конструировании разрабатывают функциональные требования к лесохозяйственным машинам, причем, усложнение составляющих технологического процесса ведет к усложнению технической
системы. Функциональные требования прорабатываются еще до обоснования
общей структуры самого изделия.
Порядок разработки конструкторской документации регламентируется действующими стандартами, которые должны обеспечить системный подход к конструированию. Однако, разделение процесса разработки конструкторской документации на этапы и фазы, хотя и обеспечивает системность
выполняемых работ, само по себе не ведет к оптимальным проектным решениям. Предлагаемая концепция предусматривает оптимальные методы конструирования на каждом этапе.
В соответствии с ЕСКД процесс разработки конструкторской документации разбивается на три этапа:
1 Постановка и уточнения задачи;
2 Разработка принципов решения;
3 Согласование принципов решения с условиями изготовления и эксплуатации.
Разработка концепции конструирования не является самоцелью, она
является результатом удовлетворения потребностей общества и находится в
постоянном совершенствовании. Потребности в механизации процессов лесохозяйственного производства обуславливают необходимость рационализации и оптимизации отдельных операций данного процесса. На их основе последовательно разрабатывается конструкторская документация и технологическая подготовка производства технических средств, которые способны
реализовать рабочий процесс.
На рисунке 3.2 изображена схема решения задачи по разработке конструкторской документации при создании лесохозяйственных машин.
Целью конструирования является оптимальный переход от входной
величины Вх к выходной Вых на основе системных и логических процедур, а
также базы данных закономерностей, принципов действия и конструктивных
решений, с учетом воздействия внешних условий Ву с получением дополни-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
116
тельного эффекта Эф. На выходе из системы имеют полное описание реализуемого метода, структуры разрабатываемого для реализации данного метода
технического средства и конструкторской и технологической документации,
необходимой для изготовления, контроля и эксплуатации изделия. Процедура конструирования жестко регламентируется действующими стандартами и
в частности предусматривает следующие этапы:
1 Прогнозирование развития науки и техники (варианты решения)
[56, 59, 74,75,77,78,79,80];
2 Фундаментальные исследования (постановка задачи, теоретические
и экспериментальные исследования, предложения по использованию результатов);
3 Прикладные исследования (выработка пути решения с экспериментальным подтверждением);
Íàêîïëåíèå äàííûõ, çàêîíîìåðíîñòåé,
ïðèíöèïîâ ðàáîòû, õàðàêòåðèñòèê êîíñòðóêòèâíûõ ýëåìåíòîâ è ò.ä.
Ðàçðàáîòêà ìåòîäîâ ðåøåíèÿ
çàäà÷è
Îïèñàíèå
ìåòîäà
Ðàçðàáîòêà
êîíñòðóêòîðñêîé
äîêóìåíòàöèè
Îïèñàíèå
ñòðóêòóðû
òåõíè÷åñêîé
Òåõíîëîãè÷åñêàÿ
äîêóìåíòàöèÿ
Òåõíîëãè÷åñêàÿ
ïîäãîòîâêà
ïðîèçâîäñòâà
ÍÈÐ è ÎÊÐ
ÅÑÊÄ
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Ïîëíîå îïèñàíèå ìåòîäà,
ñòðóêòóðû òåõíè÷åñêîãî ñðåäñòâà,
è òåõíîëîãè÷åñêîé äîêóìåíòàöèè
Ïîòðåáíîñòü ðûíêà
Âõ
Òåõíè÷åñêàÿ ïîäãîòîâêà ïðîèçâîäñòâà
Âûõ
Âó
Íàêîïèòåëü ìåòîäè÷åñêèõ
ìàòåðèàëîâ
Ýô
Рисунок 3.2 – Схема концепции разработки конструкторской документации: Вх – входная величина; Вых – выходная величина; Ву – воздействие внешних
условий; Эф - дополнительный эффект; НИР и ОКР, ЕСКД, ЕСТД, 1.2… – номенклатура
этапов производственного процесса и показатели
4 Разработка и освоение производства изделия (регламентируется
ЕСКД).
Внешние условия Ву оказывают воздействия на процесс конструирования, а внешний эффект Эф реализуется в виде методического опыта. На
современном этапе развития информационных технологий данные процеду-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
117
ры выполняются на основе САПР и ГИС.
Используя методы системного подхода, этапы процесса разработки
конструкторской документации лесохозяйственных машин можно условно
разбить на фазы. На рисунке 3.3 изображена схема, поясняющая суть предлагаемого подхода к конструированию лесохозяйственных машин. Система
разбивается на отдельные блоки, объединенные видом выполняемых работ, и
имеет по крайней мере два потока.
Поток 1 предусматривает на входе государственные, социальные,
экологические и рыночные потребности (блок Е). Процесс разработки конструкторской документации можно условно разделить на 3 этапа (уровня)
(1,2,3), и по крайней мере на 7 фаз (ПЗ, ФУ, ФС, ОС, ПС, ПП, ПФ). Процедуры выполнения работ, входящих в поток 1, регламентируются ЕСКД.
Подробно остановимся на описании потока 2, предусматривающего
накопление данных, закономерностей, принципов действия, методов проектирования, свойств материалов и т.д. (блок ИБ). На выходе из системы имеем
прирост информации в виде опыта, накопленного при проектировании. Схема обладает обратными связями. Концепция конструирования (блок К) предусматривает постановку задачи проектирования (ПЗ), разработку функций,
выполняемых изделием (Ф), топологию конструирования (Т) и принципа
действия (ПД). Процесс функционирования информации при проектировании
можно условно разбить на три этапа: разработка концепции конструирования
(К); проектирование, включающее в себя обоснование принципа работы (ПР)
и разработку проектной документации (П); конструирование, предусматривающее разработку конструкторской документации, дающей полное описание структуры (ПОС). Информационная составляющая конструирования разработана на современном этапе недостаточно. Этапы, входящие в поток 2,
жестко не регламентируются и трудно поддаются алгоритмизации.
Исходя из предпосылок системного подхода, можно сформулировать
объект проектирования как техническую систему (ТС) – абстрактное отражение комплекса взаимосвязанных технических средств, обеспечивающих
изменение физико–механических и технологических свойств предмета труда
с учетом социально-экологических и рыночных потребностей. Из сформулированного определения следует вывод, что объект проектирования следует
рассматривать только в полной связи с технологическим процессом.
Концепция конструирования (К), разрабатываемая в настоящей главе,
(conception desing) представляет только схему решения поставленной задачи
создания ТС, замысел способа действия ТС или его конструкцию (первая
конкретизация структуры и состояния изделия).
На входе в поток 2 имеем информационный банк данных (И), представляющий собой совокупность необходимых для проектирования данных
(базы данных по машинам и оборудованию, параметры окружающей среды,
климата, рельефа, характеристики почв и предмета труда, способы и методы
расчетов и конструирования и т.д.).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
118
На выходе из системы, помимо полного описания ТС, получаем дополнительный эффект в виде приращения информации. Разделение процесса
проектирования на два потока является условным. Как ранее отмечалось, целью конструирования (разработки конструкторской документации) является
оптимальный переход от блока Е к полному описанию структуры. Целью
функционирования информационного потока проектирования является максимальное приращение информации на выходе. На рисунке 3.3 показаны
только горизонтальные связи между элементами системы, хотя система предусматривает и вертикальные связи. Вертикальные связи функционируют
следующим образом. На входе в систему имеем информацию о потребностях
(И), а на выходе – реальный объект (О) и приращение информации (∆И): И
→ О + ∆И. В свою очередь выход из системы является входом для другого
элемента. На каждом этапе имеем приращение информации. Первым результатом проектирования является концепция конструктивного вида (К) (первая
конкретизация структуры), включающая Ф – функцию, Т – топологию и ПД –
принцип действия (Я. Дитрих [54]). Далее существует возможность выбора
вариантов (И, О, ПД, Т) V (Ки, О, ПД, Т), где Ки – известная конструкция.
Если Ки отсутствует, то процесс проектирования переходит к блоку проектирования (projecting), включающий функции ПР и П. Выход из блока проектирования является входом в блок конструирования, результатом которого
является конструкция К (construction). В данном блоке осуществляется определение структуры, формы и размеров. Операторами информационной системы являются примеры, аналоги, базы данных, а операторами конструирования – методы, методики, критерии и т.д.
Методология конструирования технических систем с использованием
системного подхода разрабатывалась российскими и советскими учеными
(Ю.С. Мелещенко, Э.Г. Юдин, Б.И. Иванов, В.В. Чешеев, Т.Н. Волков, А.В.
Петрова, П.И. Орлов, К.В. Фролов. А.Ф Крайнев. и др.) и зарубежными авторами (Э. Диксон, П. Хилл, Дж. Джонсон, А. Хол, Дж. Диксон, А. Крик, Б.
Хокс, Я. Дитрих и др.). Вышеназванные авторы предлагают объект проектирования рассматривать как техническую систему, имеющую свою структуру,
состоящую из элементов со всеми взаимосвязями. Задача проектирования
решается для части с учетом целого. Опубликованные работы в недостаточной степени учитывают лесохозяйственную специфику объекта проектирования.
Системное конструирование базируется на решении задач, у которых
известна входная и выходная информация, а также алгоритм перехода. Системное проектирование базируется на формальных приемах (по Дж. Джонсону [69]): М – модель проектирования; ИД – исходные данные; ОГ – ограничения; ПР- проектные решения; ОЦ – оценки проектных решений; МТ – процедуры (методы). Логическая схема конструирования строится на декомпозиции исходной задачи.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
119
1
2
È
ÔÓ
Ôîðìóëèðîâàíèå
ôóíêöèé è óñëîâèé
Ôóíêöèîíàëüíîå
îïðåäåëåíèå ïîäñèñòåìû è åå ñâÿçåé ñ
ÔÑ äðóãèìè ñèñòåìàìè
Îïðåäåëåíèå ñòðóêòóðû,
ôóíêöèîíàëüíîå îïèñàíèå ñòðóêòóðû
ÎÑ
ÏÑ
Êîëè÷åñòâåííîå è
êà÷åñòâåííîå îïðåäåëåíèå ãåîìåòðè÷åñêèõ
ïàðàìåòðîâ è ìàòåðèàëîâ äëÿ ñèñòåìû
ÏÏ
Êîëè÷åñòâåííîå è
êà÷åñòâåííîå îïðåäåëåíèå ãåîìåòðè÷åñêèõ
ïàðàìåòðîâ è ìàòåðèàëîâ â çàâèñèìîñòè
îò èåðàðõèè
ÏÔ
Êîëè÷åñòâåííîå è
êà÷åñòâåííîå îïðåäåëåíèå ãåîìåòðè÷åñêèõ
ïàðàìåòðîâ è ìàòåðèàëîâ â çàâèñèìîñòè
îò ôóíêöèîíàëüíîãî
íàçíà÷åíèÿ
Ïîñòàíîâêà
çàäà÷è
(ÏÇ)
Ôóíêöèÿ
(Ô)
Òîïîëîãèÿ
(Ò)
Ïðèíöèï
äåéñòâèÿ
(ÏÄ)
Ê
Ïîëíîå îïèñàíèå ñòðóêòóðû,
ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèé
Ïðîåêòèðîâàíèå
ÏÇ
Ôîðìóëèðîâêà è
óòî÷íåíèå çàäà÷è
Ðàçðàáîòêà êîíöåïöèè êîíñòðóèðîâàíèÿ
Ôàçû
Êîíñòðóèðîâàíèå
(îïðåäåëåíèå ôîðìû
è ðàçìåðîâ)
3. Ñîãëàñîâàíèå ðåøåíèé
ñ òåõíîëîãèåé èçãîòîâëåíèÿ
è óñëîâèÿìè ýêñïëóàòàöèè
2. Ðàçðàáîòêà ïðèíöèïà
ðåøåíèÿ
1. Ïîñòàíîâêà çàäà÷è
è óòî÷íåíèå
Ýòàïû
Èíôîðìàöèîííûé
áàíê äàííûõ
Ïðèíöèï
ðàáîòû
(ÏÐ)
Ïðîåêò
(Ï)
Ïîëíîå
îïèñàíèå
ñòðóêòóðû
(ÏÎÑ)
Íàêîïëåíèå äàííûõ, çàêîíîìåðíîñòåé, ïðèíöèïîâ
äåéñòâèÿ èçäåëèÿ, ìåòîäîâ ïðîåêòèðîâàíèÿ
Ãîñóäàðñòâåííûå, ñîöèàëüíûå
è ýêîëîãè÷åñêèå ïîòðåáíîñòè
Ïîòðåáíîñòè ðûíêà
Å
ÈÁ
Âûõ
Èíôîðìàöèÿ
(îïûò, íàêîïëåííûé
ïðè ïðîåêòèðîâàíèè)
Рисунок 3.3 – Схема системного подхода конструирования
лесохозяйственных машин
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
120
Анализ литературных источников показывает, что полной системы
конструирования лесохозяйственных машин до настоящего времени не создано. Среди работ, посвященных системному конструированию сельскохозяйственных машин, хотелось бы отметить ранее цитируемую работу немецких авторов Г. Бунге (H. Bunge) и Г. Ихле (G. Ihle) [58]. В известных работах достаточно полно разработан методологический материал системного
конструирования, однако общим их недостатком является отсутствие выхода
на разработку конструкторской документации на ЭВМ в виде чертежей.
Для описания технических систем используют различные методы. Из
применяемых методов описания объектов проектирования (лесохозяйственных машин) можно назвать: способ блок-схем (Ю.Ю. Герасимов, В.С. Сюнев
[65], Д.Г. Шимкович [67], Ф.В. Пошарников [77]); аналитическую запись
(В.А Александров., И.М. Бартенев, Ю.А. Добрынин[ 80]); метод граф (В.И.
Посметьев [68]); метод матриц (В.А. Лозовой). Рассматриваются последовательные, параллельные, расходящиеся и сходящиеся машинные комплексы
технических средств с последовательной обратной связью.
Из методов конструирования, используемых при разработке лесохозяйственных машин, следует отметить эвристические программы (случайный
поиск), морфологический (синтезирующий) метод (метод «морфологического ящика»); метод аналогий и подобия; метод «черного ящика»; метод выявления и устранения противоречий; метод «мозгового штурма» с разработкой
таблиц приемлемости; использование статистического анализа и оптимизации (прогнозирование параметров); кинематический, динамический анализ и
моделирование; унификация и стандартизация; применение патентного анализа и др. Вышеназванные методы применяются на всех трех этапах процесса разработки конструкторской документации (постановка и уточнение задачи, разработка принципа решения, согласования принципа решения с условиями изготовления и эксплуатации).
В последние годы в связи с развитием САПР находит широкое применение метод функционально-стоимостного анализа (ФСА). Основой данного метода является системный подход, функциональный анализ и синтез,
стоимостная оценка функций [75]. Основные принципы организации ФСА:
1) при поиске оптимальных вариантов технических решений объекта проектирования (ОП) рассматривается как комплекс абстрактных функций; 2) каждая функция ОП и его элементов оценивается с системных позиций; 3) прорабатываемые технические решения подлежат экономической оценке; 4)
проектирование осуществляется в границах, задаваемыми допустимыми лимитами по каждой функции; 5) исключение бесполезных и вредных функций
и конструктивных элементов; 6) решения прорабатываются в многовариантном виде; 7) применение алгоритмов выполнения процедур и операций; 8)
общественная оценка решений. При решении оптимизационных задач при
проектировании рассматриваются три уровня оптимизации ТС: 1) принципа
действия ТС; 2) структуры ТС; 3) параметров ТС. Для рабочих органов лесо-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
121
хозяйственных машин наибольший эффект приносит оптимизация на самом
первом этапе (принцип действия ТС). В качестве основной проблемы оптимизации при конструировании следует отметить многокритериальность с
противоречивыми целевыми функциями. Системный подход и оптимизация
требуют значительного числа вычислительных методов проектирования,
особенно при использовании САПР.
3.3 Постановка задачи
Как видно из рисунка 3.3, первым этапом разработки концепции конструирования является постановка задачи ПЗ. В соответствии с ЕСКД данная проблема решается на стадии технического задания (ТЗ), основой которого являются лесотехнические требования. Поскольку проектирование нового объекта – сложный и трудоемкий процесс, то необходимо обоснование
потребности в проектировании. Проектирование начинается только в том
случае, если нет существующих ТС для реализации необходимых функций,
либо существует потребность рынка. Для определения потребности рынка
можно использовать метод ФСА, описанный ранее.
Как ранее отмечалось, разработку концепции конструирования машины следует начинать с обоснования концепции конструирования рабочих
органов. Из рисунка 3.3 видно, что разработка концепции начинается с постановки и уточнения задачи (ПЗ). Для лесохозяйственных машин задача
может быть сформулирована следующим образом: Разработать лесохозяйственную машину, которая выполняет заданные функции с высоким качеством работы при минимальном расходе энергии, высокой производительности, высокой надежностью при низких затратах материальных, трудовых
и денежных ресурсов, высокой безопасности жизнедеятельности и улучшенных условиях труда при минимуме экологического воздействия на окружающую среду. Основные требования, предъявляемые к разрабатываемой
машине, формулируются в виде трех групп: 1) требования к окружающей
среде (экологическая обстановка, научно-техническая, социальная и экономическая ситуация); 2) требования к заданным функциям; 3 ) требования к
конструкции изделия.
Для рабочих органов лесохозяйственных машин задача может быть
сформулирована следующим образом: Спроектировать рабочий оран, который выполняет заданные функции на основе выбранного неэнергоемкого
способа воздействия на предмет труда с учетом предъявляемых к нему агролесоводственных требований при минимальной материалоемкости и
стоимости изготовления, высокой надежности при минимуме отклонений
от требований, предъявляемых к предмету труда.
На этапе разработки концепции задачи формулируются в виде перечня факторов, которые непрерывно уточняются на момент разработки, а также дается их прогноз. В отечественной и зарубежной практике известно
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
122
свыше ста методов прогнозирования. Разрабатываемая лесохозяйственная
машина как объект прогнозирования обладает двойственной природой. С одной стороны, это новый вид техники, а с другой – это объект, который функционирует исключительно в окружающей среде. По признакам масштабности ее следует отнести к локальным объектам с числом значащих переменных от 4 до 14 [72, 76]. По степени детерминированности объект проектирования следует отнести к стохастическим, в которых значительная случайная
составляющая.
Целью уточнения задачи является преобразование информации, полученной при ПЗ, в требования к разрабатываемой лесохозяйственной машине и к рабочим органам. Сформулированные требования являются основой на всех этапах разработки конструкции. Особенно они важны при
оценке и выборе вариантов конструктивных решений.
Для уточнений ПЗ могут использоваться методы системного анализа
[69, 72]. На рисунке 3.4 показана блок-схема постановки и уточнения ПЗ. В
работе Джонсона Дж. [69] рассматривается две фазы уточнения ПЗ: уточнение к началу разработки конструкторской документации (КД), ведущее к определению цели; текущее уточнение в процессе разработки КД, проводящееся на основе постоянной конкретизации решения.
В работах [58, 69, 73, 75] предлагается моделировать постановку задачи в виде «черного» ящика, с количественным указанием входных и выходных параметров.
На рисунке 3.5 показана модель постановки задачи разработки концепции в виде «черного» ящика для рабочего органа почвообрабатывающей
машины. Постановка задачи в виде «черного ящика» позволяет уточнять как
задачи конструктора, так и необходимые требования, предъявляемые к лесохозяйственным рабочим органам. Метод применим к объектам с различной
степенью детализации. Ответы на вопросы, перечисленные на рисунке 3.5,
должны иметь конкретные количественные параметры на базе развития науки и техники, а также на основании теоретико-экспериментальных исследований. Широко используются методы прогнозирования. Анализ методов
прогнозирования, применяемых при проектировании дорожно-строительных
машин, дается в справочниках [77, 78], а в работе В.П. Быкова [82, с. 80 - 81]
приводится Генеральная определительная таблица (ГОТ) для прогнозирования развития строительных машин. Указанные выше методы совершенно не
учитывают требования экологичности к разрабатываемым изделиям.
Применяя данную методику к конструированию лесохозяйственных
машин, следует учитывать тот факт, что параметры предмета труда и условия
функционирования строго регламентируются агролесоводственными требованиями. В качестве факторов окружения выбраны условия эксплуатации;
технические требования; экологические и социальные требования. На выходе
из системы имеем отклонения от агролесоводственных, социальных, экономических и правовых требований. Эти отклонения необходимо минимизиро -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
123
Îïðåäåëèòü ïîòðåáíîñòè îáùåñòâà!
(Âõ)
1
Îïðåäåëèòü âûõîäíûå âåëè÷èíû
îáîñíîâàòü èõ äîñòà2 (Âûõ),
òî÷íîñòü
Âîçâðàò èç óðîâíÿ "-1" äà
íåò
Ïåðåõîä íà óðîâåíü "-1"
3
Îïðåäåëèòü âõîäíûå âåëè÷èíû (Âõ)! Ïðîâåðèòü èõ
äîñòàòî÷íîñòü
äà
Âîçâðàò ñ øàãà "-1"
íåò
Ïåðåõîä ê øàãó "-1"
Îöåíèòü âíåøíèå óñëîâèÿ, ïðè êîòîðûõ ìîæåò
áûòü ðåàëèçîâàí äàííûé ñïîñîá!
Îöåíèòü äîïîëíèòåëüíûå âîçäåéñòâèÿ äëÿ
4 ðåàëèçàöèè ñïîñîáà
5
Ïðîâåðèòü íàëè÷èå ñóùåñòâóþùåãî ñïîñîáà
äà
6
7
Îáîñíîâàòü îïåðàöèè, íåîáõîäèìûå äëÿ
ðåàëèçàöèè äàííîãî ñïîñîáà
Îáîñíîâàòü âîçäåéñòâèÿ äëÿ ðåàëèçàöèè
îïåðàöèé è îïðåäåëèòü ïîäñèñòåìû äëÿ ðåàëèçàöèè
Ïîâòîðíî âûïîëíèòü ïóíêòû 4 è 5
ïî ðåçóëüòàòàì ïóíêòà 7
8
Âûÿâèòü îøèáêè è óïîðÿäî÷èòü èõ äëÿ
ýôôåêòèâíîãî ðåøåíèÿ çàäà÷è
9
10
íåò
Ïðîâåðèòü îòðèöàòåëüíîñòü ÷èñëà óðîâíåé
íåò
Ïàðàìåòðû
ïðåäìåòà
òðóäà
Êàê âîçäåéñòâîâàòü íà ïðåäìåò òðóäà? Ïàðàìåòðû
èçìåëü÷åííîãî
Êàêèõ îïåðàöèé òðåáóåò ñïîñîá?
ìàòåðèàëà
Âûõ(± ∆ Âûõ)
Ñîâìåñòíî ñ êàêèì ñïîñîáîì?
Âõ(± ∆ Âõ)
Êàêèå äîïîëíèòåëüíûå
âîçäåéñòâèÿ âîçíèêàþò?
Äîïîëíèòåëüíûå òðåáîâàíèÿ
Рисунок 3.4 – Блок-схема уточнения ПЗ
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
124
Вх (±∆Вх)
Почва лесная необработанная, суглинок
с древовидными включениями
Ву
Условия эксплуатации
- агролесоводственные требования:
глубина обработки почвы;
степень крошения почвы;
степень заделки растительных остатков;
климатические условия и рельеф местности;
размеры и количество корней и других включений;
размеры и конфигурация участка;
параметры бывшего древостоя
разновидность и текущее состояние почвы;
удаленность от технической базы;
сроки выполнения работ
-технические требования:
доставка к месту работы;
базовый трактор, тип агрегата;
скорость движения агрегата, глубина колеи;
расход ГСМ, требования к обслуживанию;
устойчивость движения агрегата, загрязнения;
параметры поверхности движения;
нагрузки, производительность
- условия изготовления:
уровень развития техники;
материал, заготовка, технология изготовления;
показатели надежности, износ;
зргономические требования
Экологические и социальные требования:
затраты, количество и квалификация персонала;
охрана жизнедеятельности, безопасность;
охрана окружающей среды, уровень механизации
Правовые требования
Рисунок 3.5 – Схема модели почвообрабатывающего рабочего органа в виде “черного
ящика”
Обработка почвы
-------------------------Машиннотракторный
агрегат
Вых (±∆Вых)
Обработанная почва,
плотность – 1,1 г/см3
Результаты, не вошедшие
в Вых
Отклонения от агролесовенных требований:
высота микронеровностей
на дне борозды;
огрехи
Отклонения от социальных требований
Отклонения от экономических требований
Отклонения от правовых
требований
→ min
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
125
вать. На начальной стадии проектирования взаимовлияние факторов окружения, как правило, не учитывают.
Уточнение задачи предполагает преобразование информации, имеющейся при постановке задачи, в агролесоводственные требования, предъявляемые к разрабатываемому изделию. Эти требования являются основой для
разработки и выбора вариантов существующих конструкций.
3.4 Функциональный анализ
Из рисунка 3.3 видно, что вторым этапом разработки концепции конструирования лесохозяйственных машин является разработка функции изделия (Ф), которая осуществляется на основе функционального анализа.
Приведенный в главе 1 анализ конструктивных особенностей роторных рабочих органов доказывает, что рассмотрение любого конструктивного
элемента изделия невозможно без анализа выполняемых им функций.
В настоящем разделе за теоретическую основу рассмотрения функций, выполняемых роторными рабочими органами, взят морфологический
анализ, суть которого состоит в расчленении общей функции проектируемого изделия на частные и отыскание рациональных способов их выполнения.
Сочетание способов выполнения всех частных функций дает вариант реализации технического решения. Для наглядности представления результатов
анализа используются матричные и табличные методы [69, 75]. Морфологический анализ начинается с выделения частных функций, выполняемых лесохозяйственной машиной. Для объекта проектирования первоначально анализировались выполняемые функции, а затем давалось конструктивное
(структурное) описание. Рассмотрение метода дается на примерах.
3.4.1 Общая классификация лесохозяйственных машин
по функциям, выполняемым рабочими органами
Разработка концепции предусматривает обязательную классификацию объектов проектирования. Лесохозяйственная машина является целесообразной технической системой (машиной), особенности которой можно выявить только по взаимоотношению их рабочих органов с предметом труда по
следующим признакам:
1 Тип предмета труда;
2 Способ воздействия рабочих органов на предмет труда;
3 Изменение внешней формы и размеров предмета труда;
4 Изменение внешней структуры, физико-механических, технологических и потребительских свойств предмета труда;
5 Изменение внутренней структуры предмета труда;
6 Изменение положения предмета труда в пространстве.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
126
Общая теория машин дает три основных типа предмета труда: материал; энергия и информация. Строго говоря, любая лесохозяйственная машина имеет дело со всеми тремя типами предмета труда, однако целью любого
рабочего процесса лесохозяйственного производства является изменение материалов. В связи с этим лесохозяйственные машины однозначно следует относить к ТС, определяемых материалом. Таким образом, элементом ТС, определяющим основное функциональное назначение лесохозяйственной машины, является рабочий орган (РО), непосредственно взаимодействующий с
предметом труда и изменяющий его свойства. Все остальные структурные
элементы и подсистемы выполняют вспомогательные функции [П.М. Мазуркин/ Функциональная классификация лесных машин // Лесной журнал, 1994.
- № 1, - С. 47 – 50].
Как видно из схемы, показанной на рисунке 3.1, функционирующая
лесохозяйственная машина имеет как минимум три составляющих: конструктивная – сама машина; технологическая – технологическая операция и информационная – управление машиной.
Морфологический анализ конструкций лесохозяйственных машин и
выполняемых ими рабочих процессов показывает, что в настоящее время в
нашей стране наиболее распространенной является схема машины без автоматического регулирования и управления. Назовем ее классической лесохозяйственной машиной. Схема такой классической машины приведена на рисунке 3.6.
Морфологический анализ показывает, что классическая лесохозяйственная машина (КЛМ) состоит как минимум из четырех элементов (подсистем), каждый из которых выполняет различные функции. Рабочие органы
(РО) изменяют предмет труда (Т) от состояния, оцениваемого входной функцией Вх (± ∆Вх), до состояния, оцениваемого выходной функцией Вых (± ∆
Вых) при заданных значениях окружающей среды, оцениваемых функцией
Ву при соответствующих дополнительных воздействиях Эф. Рабочие органы,
взаимодействующие с предметом труда, получают энергию, необходимую
для выполнения заданных функций в требуемой форме от привода (ПР) через
передаточные устройства (ПМ). Несущие элементы машины (НЭ) создают
направление движения машины через опорные элементы, воспринимают нагрузки металлоконструкции, воспринимают усилия и реакции, возникающие
внутри самой машины. Несущие элементы передают различные воздействия
в окружающую среду.
Информационная составляющая (И) обеспечивает обслуживающий
персонал необходимой информацией для изменения характеристик технологической операции, выполняемой машиной, в соответствие со свойствами
окружающей среды, заданных параметров технологического метода и других
условий функционирования всей системы ( рисунок 3.1).
Некоторые классические лесохозяйственные машины имеют элементы автоматического управления, например, предохранительные устройства,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
127
È
Ê
∆ Âõ)
Êîíñòðóêöèÿ
Ïðèâîäíîé
ýëåìåíò
Ò
ÏÌ
Ïåðåäàòî÷íûé
ýëåìåíò
ÐÎ
Ðàáî÷èé
îðãàí
Íåñóùèé ýëåìåíò
ÍÝ
Âó
Òåõíîëîãè÷åñêàÿ
îïåðàöèÿ
ÏÝ
Ýíåðãèÿ
Âõ (
Èíôîðìàöèÿ
Âû õ (
∆ Âû õ)
Ýô
Рисунок 3.6 – Обобщенная функциональная схема лесохозяйственной
машины (классической – без системы регулирования и управления)
È
Ð
Èíôîðìàöèÿ
Ðåãóëèðóþùèé ýëåìåíò
Êîíñòðóêöèÿ
ÏÝ
Ïðèâîäíîé
ýëåìåíò
ÍÝ
Ò
ÏÌ
ÓÝ
Ïåðåäàòî÷íûé Óïðàâëÿþùèé
ýëåìåíò
ýëåìåíò
ÐÎ
Ðàáî÷èé
îðãàí
Íåñóùèé ýëåìåíò
ÌÍ
Âó
Òåõíîëîãè÷åñêàÿ
îïåðàöèÿ
Ýíåðãèÿ
Ê
∆ Âõ)
Âõ (
Í
Âû õ (
∆ Âû õ)
Ýô
Ìêð
Рисунок 3.7 – Обобщенная функциональная схема лесохозяйственной
машины (с элементами регулирования)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
128
которые отключают рабочие органы при перегрузках (ФБН-2). Детальный
морфологический анализ предохранительных устройств лесохозяйственных
машин приведен в работе В.И. Посметьева [68].
Целью дальнейшего развития лесохозяйственных машин является их
автоматизация, которая заменяет или устраняет человека от операций по
управлению машиной с помощью регулирующих элементов. На рисунке 3.7
показана обобщенная функциональная схема лесохозяйственной машины с
элементами управления и регулирования. В этом случае в классическую схему лесохозяйственной машины добавляются элементы, связанные с автоматическим управлением (Р), а между рабочим органом и передаточным механизмом устанавливаются управляющие элементы (УЭ). На рисунке в качестве примера приведены системы автоматического регулирования: движение
рабочего органа в зависимости от микрорельефа почвы (МН) (копирование
микрорельефа); автоматического регулирования глубины обработки (Н); автоматическое отключение рабочего органа при перегрузке по крутящему моменту на валу привода (Мкр). Регулирующий элемент может непосредственно воздействовать и на привод.
Таким образом, классификация лесохозяйственных машин по функциональным признакам позволяет особо выделить в их конструкции рабочие
органы, которые должны совершенствоваться в первую очередь. Их конструирование является первоочередной задачей конструкторов. Все другие
элементы машины, особенно относящиеся к области преобразования энергии
и информации, прорабатываются постольку, поскольку это необходимо для
функционирования всей системы.
3.4.2 Морфологический анализ функций,
выполняемых роторными рабочими органами
Как видно из рисунка 3.1, технологический процесс, в котором задействована лесохозяйственная машина, раскладывается на технологические
операции. Существует несколько вариантов их комбинации в процессе: операции следуют друг за другом (последовательно); операции выполняются
одновременно (параллельно); операции выполняются по смешанному принципу. Такая классификация операций позволяет выделить из операций первичные и вторичные. Многие авторы предлагают подразделять операции,
выполняемые рабочими органами, учитывая поток обрабатываемого в машинах материала. Поясним это на примере.
В таблице 1.12 даны характеристики отделителей древесной зелени,
применяемых в лесном хозяйстве. Измельчитель ИПС-1,0 может выполнять
операции отделения древесной зелени, измельчения, сепарации и транспортировки. Порядок выполнения операций определяется в конкретном случае
структурой рабочих элементов устройства. Можно проводить сепарацию материала без транспортировки, однако и транспортировка может выполняться
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
129
без сепарации. В первом случае сепарация была бы первичной операцией.
На рисунке 3.8 показана схема технологического процесса и технологические операции, выполняемые измельчителем-сортировщиком (на фрагменте «а» показаны технологический процесс и технологические операции,
выполняемые последовательно, а на фрагменте «б» – комбинирование технологических операций в частные функции, «в» – полная и частные функции).
Выход из каждой частной функции является входом для другой частной
функции. На выходе – отсортированная древесная зелень без примесей.
Комбинация частных функций дает вариант конструкции, который затем детально прорабатывается. Число вариантов комбинаций частных функций нетрудно подсчитать. Для упорядочения реализуемых вариантов частных
функций удобно воспользоваться приемами системного конструирования.
Воспользуемся матричным методом, изложенным в опубликованных
работах [1,5,9, 69]. Пусть Фm – частная функция, выполняемая рабочим органом (m - количество выполняемых функций). Каждой функции соответствует входная Вхm и выходная величина Выхn. В таблице 3.1 представлена
матрица для вариантов Рm х n частных функций Ф.
Матрица позволяет рассматривать все возможные варианты комбинаций частных функций, выполняемых рабочими органами, и находить комбинации для общего решения. Такой принцип был положен в основу графической базы данных конструктивных решений роторных рабочих органов.
Содержание элементов матрицы представляет собой систему, включающую подсистемы «технологическая операция – рабочий орган» и «измельчающий элемент – измельчаемый материал».
Частные функции связаны с рабочими органами и в общем виде могут иметь несколько вариантов: один рабочий орган выполняет одну рабочую
операцию; один рабочий орган реализует несколько технологических операций; несколько рабочих органов реализуют одну рабочую операцию.
В рассматриваемом примере конструктивно выполнено несколько рабочих органов. С целью повышения производительности машины рабочие
органы конструктивно устанавливают последовательно, параллельно и смешанно. При составлении матрицы реализации частных функций это означает,
что одинаковые функции реализуются одновременно одинаковыми рабочими
органами (например, одинаковые измельчающие ножи расположены параллельно и выполняют одинаковые функции, или ножи, последовательно расположенные на роторе, поочередно выполняют одинаковые функции в определенной временной последовательности). При конструировании лесохозяйственных машин варианты расстановки рабочих органов определяются в связи с комбинациями технологических операций и технологического процесса,
выполняемого данным устройством.
С учетом системного анализа конструктивных решений рабочих органов в таблице 3.2 представлены некоторые варианты реализации элементов
матрицы для измельчителя – отделителя древесной зелени. Из анализа лите-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
130
ратурных источников было выяснено, что отделение и измельчение древесной зелени может выполняться рабочими органами: дисковым измельчителем (ИПС-1,0); барабанным (ОДЗ-3,0); роторным с шарнирно закрепленными
измельчающими молотками (АПК-10) или штифтовым (УДА-5). Вертикальный столбец матрицы позволяет реализовать заданный технологический
процесс. При конструировании следует ограничивать варианты комбинаций
частных функций для одной машины. Однако не следует выбирать для каждой частной функции и только одно приемлемое решение.
Âûõ ( ∆ Âûõ)
Âõ ( ∆ Âõ)
Îòäåëåíèå äðåâåñíîé çåëåíè
à)
Îòäåëåíèå
Èçìåëü÷åíèå
Ñåïàðàöèÿ
Òðàíñïîðòèðîâàíèå
Âûõ ( ∆ Âûõ)
Âõ ( ∆ Âõ)
Îòäåëåíèå äðåâåñíîé çåëåíè
á)
Îòäåëåíèå
Òðàíñïîðòèðîâàíèå
Èçìåëü÷åíèå
Òðàíñïîðòèðîâàíèå
Ñåïàðàöèÿ
Ñåïàðàöèÿ
Òðàíñïîðòèðîâàíèå
â)
Âûõ ( ∆ Âûõ)
Âõ ( ∆ Âõ)
Îòäåëåíèå äðåâåñíîé çåëåíè
Âõ ( ∆ Âõ) =Âõ1
Îòäåëåíèå
Èçìåëü÷åíèå
Âûõ2=Âõ3
Âûõ1 = Âõ2
Ñåïàðàöèÿ
Âûõ3= Âûõ ( ∆
Òðàíñïîðòèðîâàíèå
Рисунок 3.8 – Технологический процесс и операции, выполняемые
отделителем древесной зелени
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
131
Таблица 3.1 - Матрица вариантов реализации частных
функций, выполняемых отделителем древесной зелени
Частная
функция,
Фm
Входная величина,
Вх1
Выходная величина,
Вых1
Ф1
Ф2
Ф3
.
.
.
Фm
Вх1
Вх2
Вх3
.
.
.
Вхm
Вых1
Вых2
Вых3
.
.
.
Выхn
Матрица вариантов реализации частных функций,
Рm х n
Р21 Р22 Р13 … Р2n
Р31 Р32 Р33 … Р3n
……………………
……………………
……………………
Рm1 Рm2 Рm3 … Рmn
Приведенный пример показывает, что использование матричного метода позволяет эффективно конструировать машины на основе системного
анализа. Естественно, такую систему необходимо дополнить блоками, реализующими графические базы данных с выдачей рабочей документации и закономерностями с методиками расчетов. Матричный метод позволяет легко
классифицировать рабочие органы по выполняемым ими функциям. Однако
в настоящее время не существует однозначного определения и классификации технологических процессов и технологических операций в лесном хозяйстве. Такую работу, безусловно, следует проводить особенно в связи с автоматизацией процесса разработки конструкторской документации. Гораздо
детальнее проработаны вопросы систематизации рабочих органов по их конструктивным особенностям.
После того как осуществлен выбор допустимых вариантов реализации частных функций Фm, их необходимо скомбинировать.
Комбинация допустимых вариантов реализаций частных функций Рm х n
является важнейшим шагом к составлению всей функции, выполняемой машиной.
Возвращаясь к рассматриваемому примеру и матричному методу,
возможные реализации располагаются в нужной последовательности для
всех комбинаций, а затем удаляют из матрицы неприемлемые комбинации.
Критерием отбора является направление потока обрабатываемого материала
(такой метод подробно изложен в работе В. Прагера [83]). В таблице 3.3 приведена матрица комбинаций реализаций частных функций, составленная на
основе матрицы, изображенной в таблице 3.1.
Условием выбора вариантов является последовательность операций в
зависимости от потока обрабатываемого материала (например, нельзя проводить сепарацию перед измельчением, т.е. важна последовательность: Ф1, Ф2,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
132
Ф3) (рисунок 3.8). Число приемлемых комбинаций равно произведению числа частных функций на число возможных реализаций. Для функций Ф1 и Ф3
имеются только по одному допустимому решению. На основе матрицы,
представленной в таблице 3.3, составляются варианты комбинаций реализации и возможные последовательности выполняемых операций (таблица 3.4).
Следует помнить, что хотя чисто теоретически измельчение может выполняться перед отделением хвои, практически такой вариант является нерациональным. В таблице приведены далеко не все комбинации частных функций.
Сделано это для того, чтобы не загромождать последующий анализ.
Оценка решений, приведенных в таблице 3.4, показывает, что вариант
реализации К7, удовлетворяющий поставленным требованиям, реализован в
цехе для производства витаминной муки (лесокомбинат «Осмолода» комбината «Прикарпатлес»). В цех подается предварительно отделенная от сучьев
зеленая масса, которая на станке «Волгарь-5», снабженным первичным измельчающим аппаратом в виде барабана с криволинейными ножами и вторичным измельчающим аппаратом в виде ножевых вставок, дважды измельчается (Ф1) и подается транспортером (Ф2) на мельницу (Ф3), а затем сортируется на сите (Ф4). Крупные отходы выбрасываются в сторону, готовая мука
накапливается в бункере-накопителе.
Некоторые варианты не реализованы.
Приведенный в таблице 3.2 пример, показывает, что морфологический анализ функций, выполняемых роторными рабочими органами, является эффективной основой для системного конструирования.
Если для реализации частных функций, представленных на рисунке
3.8, нет известных вариантов способов и конструкций, то разрабатывают новые решения. Большую помощь в этом может оказать систематизация конструктивных решений в смежных отраслях экономики (сельское хозяйство и
сельскохозяйственное производство). Направления совершенствования
функциональной модели роторных рабочих органов лесохозяйственных машин связано с сокращением числа функций и повышением их гибкости. На
основе функционального описания объекта проектирования строится его
структурное описание (приведено в правой колонке таблицы 3.4). Для этого
необходима база данных, в которой бы каждое функциональное назначение
элемента было связано с его структурно-конструктивной реализацией. Такая
база данных со строгой классификацией составлена для кинематических пар
механизмов машин (И.И. Артоболевский [127]).
Анализ технологических процессов сельского и лесного хозяйства
показывает, что однозначного определения и систематизации технологических процессов с детальной разбивкой на составляющие их технологические
операции, рабочие пары и частные функции с целью системного конструирования нет по настоящее временя. Это препятствует разработке классификации рабочих органов и агрегатов лесохозяйственных машин в зависимости от
выполняемых функций.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 3.2 - Пример частичной
Частная
функция
Ф
Ф1
Отделение
и
измельчение
Ф2
Сортировка и очистка
133
Входная
величина
Вх
Выходная
величина
Вых
Древесная
Измельченная
зелень - хвой- древесная зеная лапка дли- лень с длиной
ной до 40 мм и резки 25 мм и
диаметром
степенью оговеток до 5 мм
ления до 90 %
и сроком хранения не более
3 суток
Измельченная
древесная зелень с длиной
резки 25 мм и
степенью оголения до 90
реализации матрицы частных функций для отделителя-измельчителя
Частичная реализация
1
Дисковый рубительный аппарат
Хвоя без
примеси древесных остатков и других загрязнителей
3
4
Барабанный ножевой
аппарат
Роторный аппарат с шарнирными ножами
Штифтовый аппарат
Хвоя без примеси древесных остатков
и других загрязнителей
Шнековый
транспортер очиститель
Ф3
Транспортирование
2
Прутковый элеватор
Барабанный грохот
Транспортердробитель
Хвоя, поданная в транспортное средство
Ленточнопластинчатый
транспортер
Прутковый элеватор
со скребками
Скребковый
ленточный
транспортер
Роторный ковшовый транспортер
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
134
Таблица 3.3 - Матрица комбинаций приемлемых вариантов
реализации частных функций
Вариант реалиВариант реализации частной функции Ф1
зации частной
Р11
Р12
Р13
функции Ф2
Р11
(Р11 Р21)
(Р12 Р21)
…
Р22
(Р11 Р22)
…
…
Р23
…
…
…
Таблица 3.4 - Варианты комбинаций частных функций в машине
ВариЧастная функция
отделе- измель- сорти- транспорант
ние
чение
ровка и тирование
комСхема комбинации
очистка
(по принципу потока матебинариала)
ции
К1
1
2
0
3
К2
1
0
2
3
К3
1
2
3
4
К4
1
3
2
4
К5
1
3
0
2
К6
1
0
3
2
К7
1
3
4
2
К8
1
4
3
2
К9
1
2
4
3
К10
1
4
2
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
135
3.4.3 Результаты функционального анализа
Анализ конструкций роторных рабочих органов лесохозяйственных
машин и выполняемых ими технологических операций и функций, приведенный ранее, показывает, что рабочий орган может выполнять несколько
частных функций, которые могут осуществляться следующим образом:
1 Операции следуют друг за другом;
2 Операции выполняются одновременно;
3 Операции выполняются смешанно.
Часто практикуется установка в машине нескольких рабочих органов,
выполняющих одинаковые функции. Параллельная установка рабочих органов применяется для повышения производительности либо для уменьшения
размеров рабочих органов. Культиватор КФ-5 имеет 12 вертикальных роторов с шестью ножами на каждом, расположенных параллельно. У культиватора КФУ-2,8 установка дополнительных рабочих органов повышает качество обработки почвы.
Отделитель древесной зелени ОДЗ-3,0 снабжен тремя роторными рабочими органами, установленными последовательно, причем каждый из них
имеет индивидуальный привод.
На основе проведенного анализа известных реализаций частных
функций, выполняемых роторными рабочими органами лесохозяйственных
машин, может быть предложена их общая классификация, приведенная в
таблице 3.5. Ниже приведены пояснения к таблице 3.5.
Рабочий орган РО выполняет функцию Ф, которая оценивается входной величиной Вх с дополнительным эффектом Эф. Воздействия окружающей среды оцениваются функцией Ву (внешние условия). Рабочий орган РО
может выполнять несколько частных функций Фi, которые в свою очередь
оцениваются n – количеством входных величин и m - количеством выходных величин. Рабочий орган взаимодействует с предметом труда Т, перемещаясь в пространстве, оцениваемого координатами X,Y,Z, с поступательной
скоростью Vs и вращательной Vω. На машине может устанавливаться РОоодинаковых рабочих органов и РОр-различных рабочих органов. Частные
функции Фi определяют функции отдельных операций технологического
процесса и дают отдельные конструктивные решения и способы технологического воздействия на предмет труда (рабочие пары). Частные функции Фi
комбинируются Кi и дают вариант конструкции Рi . Исходя из анализа технологического процесса последовательность функций Фi строго регламентируется по заданным принципам с выделением первых функций (например, исходя из технологического процесса обработки почвы, отрезание почвенной
стружки будет первичной функцией, а крошение и перемешивание – вторичными).
На первое место в таблице поставлены отличительные признаки, от-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
136
носящиеся к технологии, а затем идут признаки, относящиеся к конструкции
и механике взаимодействия РО с предметом труда.
Систематизирующая точка зрения 1 оценивает соотношения входных
и выходных величин. Отличительным признаком 1.1 характеризуются рабочие органы, у которых число входных величин равно числу выходных. Элементарным рабочим органом является РО, функция которого оценивается
одной входной и одной выходной величиной. Признаком 1.2 характеризуются РО, у которых число входных величин превышает число выходных. Признаком 1.3 характеризуются РО, у которых число входных величин меньше
числа выходных.
Систематизирующая точка зрения 2 оценивает связь функций и
структур. Элементарным является РО, выполняющий одну функцию (признак 2.1). Отличительным признаком 2.2 можно описать РО, выполняющий
несколько функций, а признаком 2.3 можно оценить комбинацию, при которой несколько РО выполняют одинаковую функцию.
Систематизирующая точка зрения 3 оценивает соотношение движения РО и предмета труда. Под отличительный признак 3.1 подпадают РО, которые взаимодействуют с неподвижным предметом труда, перемещаясь в
пространстве с линейной скоростью оси ротора Vs и угловой скоростью
вращения ω. В данный класс попадают РО большинства почвообрабатывающих машин. Данный класс может подразделяться на подклассы по отличительному признаку совпадения направлений линейной скорости оси ротора
Vs и линейной скорости движения измельчающих элементов Vω. По данному
признаку РО могут осуществлять попутное (3.1.1) или встречное (3.1.2)
взаимодействие с предметом труда (например, попутное или встречное фрезерование почвы).
Под отличительный признак 3.2 подпадают РО, ось ротора которых
неподвижна, а перемещается сам предмет труда. По такому признаку могут
быть классифицированы РО большинства стационарных машин. По направлению линейной скорости измельчающих элементов Vω и скорости перемещения предмета труда Vт, РО могут дополнительно подразделяться аналогично признакам 3.1.1 и 3.1.2. В качестве примера могут быть приведены
конструкции измельчителей кормоуборочных комбайнов [3]. По отличительному признаку 3.3 могут классифицироваться РО, взаимодействующие с
движущимся предметом труда, ось ротора которых перемещается в пространстве.
Под признак 3.3.1 (в таблице не показано) подпадают РО, направление линейной скорости оси ротора которых совпадает с направлением движения предмета труда, а признаком 3.3.2 могут быть охарактеризованы РО,
направление линейной скорости оси ротора которых не совпадает с направлением движения предмета труда. Отметим, что признаком 3.3 не может оцениваться РО, предложенный М.М Шумковым (рисунок 1.36).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
137
Таблица 3.5 - Общая классификация роторных рабочих органов лесохозяйственных машин
по выполняемым функциям
Систематизирующая
точка зрения
1. Соотношение входных и
выходных величин
Отличительные признаки и особенности
1.1
1.2
n õ Âõ
Ôi
n õ Âûõ
1.3
n õ Âõ
Ôi
ïðè n>=1
2. Связь функций и структур
2.1
1 õ Ôi
Ôi
Âûõ
Âó
Ýô
2.3
Âõ
n õ Ôi
n õ Âûõ
ïðè n>1, m=1
èëè 1 <m<n
ïðè n>1, m=1
èëè 1 <m<n
2.2
Âõ
m õ Âõ
m õ Âûõ
Âõ
Âûõ
1 õ Ôi
Âûõ
Âó
Âó
Ýô
Ýô
n õ ÐÎ
1 õ ÐÎ
1 õ ÐÎ
n - 1
1 - 1
1 - n
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
138
Систематизирующая
точка зрения
3.Соотношение движения
РО и предмета
труда
Отличительные признаки и особенности
3.1
ÐÎ
Vs >0
3.2
ÐÎ
Vs = 0
4. Движение
РО в пространстве
4.1
Vt=0
Z
Y
Vs>0
V =0
Ïîñòóïàòåëüíîå
4.3
Vs>0
V =0
Ïîñòóïàòåëüíîå
ïåðåíîñíîå +
ïîñòóïàòåëüíîå
êîëåáàòåëüíîå
4.4
Y
Z
X
X
Vs=0
V >0
Âðàùàòåëüíîå
Vt > 0
Ò
Z
X
Y
Vs > 0
Vω > 0
Vt > 0
Ò
4.2
X
ÐÎ
Vω > 0
Vω > 0
Ò
3.3
Y
Vs>0
V >0
Ïîñòóïàòåëüíîå
ïåðåíîñíîå +
âðàùàòåëüíîå
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
139
Систематизирующая
точка зрения
5. Расстановка
одинаковых
РО в машине
Отличительные признаки и особенности
Параллельное
6.3
Âõ
ÐÎð1
Vs
V
Vs
V
6.3
ÐÎð1
ÐÎð2
ÐÎð2
Âûõ
Âõ
ÐÎð1
Âõ
Vs
V
ÐÎð2
ÐÎðm
ÐÎðm
Âûõ
ÐÎðm
Последовательное
Âûõ
6. Расстановка
и комбинация
различных РО
в машине
Параллельное
6.3
ÐÎð1
Âõ
Âõ
Vs
V
Vs
V
Комбинированное
6.3
ÐÎð1
Âõ
Vs
V
ÐÎð2
ÐÎð2
Âûõ
ÐÎð2
ÐÎðm
Âûõ
Âûõ ÐÎðm
Последовательное
ÐÎðm
Комбинированное
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
140
Систематизирующей точкой зрения 4 предлагается классифицировать
РО по кинематике их движения в пространстве. Отличительным признаком
4.1 могут быть классифицированы РО, поступательно перемещающиеся в
пространстве. Кинематика таких РО является наиболее простой, и в наиболее общем виде может быть описана тремя уравнениями: X = X(t); Y = Y(t);
Z = Z(t). По данному признаку могут характеризоваться пассивные РО. Признаком 4.2 могут классифицироваться активные РО, совершающие колебательные движения (нами не рассматриваются). Кинематика таких РО основательно представлена в работе О.В. Верняева [84]. Признаком 4.3 классифицируются РО, совершающие вращательное движение (аналогично признаку
3.2). Такие РО, как правило, устанавливаются в стационарных машинах.
Признаком 4.4 можно классифицировать РО, совершающие поступательное
переносное и вращательное движение. Кинематика РО, отнесенных к классу
4.4, описывается шестью уравнениями и подробно рассмотрена в работе Канарева Ф.М. [85].
Систематизирующая точка зрения 5 позволяет классифицировать РО
по их расстановке в машине. Признаком 5.1 классифицируются одинаковые
РО, устанавливаемые в машине параллельно, с целью повышения производительности. В качестве примера можно привести конструкцию культиватора
КФВ-3,6, в котором установлено 12 вертикальных роторов, выполняющих
одинаковую функцию (рисунок 1.12).
Последовательная установка в машине одинаковых РО, выполняющих одинаковую функцию (признак 5.2), может осуществляться с целью повышения качества измельчения. В качестве примера можно привести ранее
рассмотренную подробно конструкцию отделителя-измельчителя древесной
зелени ОД3-3, который имеет три ротора, барабанного типа. Измельчитель
«Волгарь-5», применяемый в лесном хозяйстве для измельчения хвойной зелени, снабжен двумя измельчающими аппаратами, установленными последовательно, причем конструктивно первый измельчающийй аппарат выполнен
в виде барабана с криволинейными ножами, а второй – в виде измельчителя с
ножевыми вставками.
Комбинированная установка одинаковых РО, выполняющих одинаковую функцию (признак 5.3), может выполняться с целью повышения производительности и качества измельчения. В качестве примера РО, конструкция которого подпадает под признак 5.3, можно привести ротор фрезы (рисунок 1.3), у которой на каждом несущем диске установлено последовательно до 8 одинаковых ножей, а одинаковые несущие диски параллельно установлены на валу.
При помощи точки зрения 6 классифицируется расстановка в машине
различных РО. Методология классификации аналогична точке зрения 5.
Приведенная в таблице 3.5 классификация РО, не в коей мере не претендует на полноту, а является первой попыткой классификация РО по вы-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
141
полняемым функциям. Классификация конструктивных особенностей РО
приведена в следующем разделе.
При разработке концепции конструирования классификационные
признаки с 1 по 3 применяются для уточнения подсистем конструкций и рабочих пар. Признаки 4 – 5 используются при разработке принципа работы
машины (рисунок 3.1), а признак 6 часто применяют для комбинации известных и вновь разрабатываемых принципов. Особо следует отметить признак 2,
который оценивает взаимодействие рабочих органов с предметом труда. При
разработке классификации РО по выполняемым функциям важное значение
приобретают основы теорий технологических процессов, применяемых в
сельском и лесном хозяйстве, и основанные на различных физических эффектах, происходящих при взаимодействии РО с измельчаемым материалом.
Эти эффекты учитываются при разработке рабочих пар, особенно «измельчающий элемент – измельчаемый материал». Новый эффект можно получить
при комбинации и сочетании известных принципов в различных вариантах
конструкции. Анализ парных взаимодействий показывает, что наблюдается
тенденция перехода от механического взаимодействия РО с предметом труда
к РО, действующим немеханически (см. описание измельчителя-деструктора
грубых кормов [2]). Часто в конструкциях РО применяется инструмент, который вибрирует (16 – 30 кГц).
Функциональный анализ РО, выполненный выше, может служить основой для разработки частных функций и их комбинаций для всей лесохозяйственной машины. Конструирование предполагает алгоритмический и
целенаправленный выбор формы, размеров и материалов всех конструктивных элементов лесохозяйственной машины.
Результатом функционального анализа принципа решения задачи является реализация частных функций в виде вариантов решения. На основе
анализа синтезируются конструктивные решения для решения каждой частной функции.
При конструировании РО лесохозяйственных машин, наряду с агротехническими, лесоводственными, экономическими и экологическими требованиями следует учитывать традиционные для машиностроения требования.
Изложенные выше основы классификации РО по функциональным
признакам могут помочь конструкторам в разработке новых принципов конструирования. Метод, изложенный применительно к РО, может реализовываться в отношении прочих структур и элементов лесохозяйственных машин.
На всех этапах функционального анализа и синтеза, на всех этапах разработки конструкторской документации, от постановки задачи и ее уточнения до
полного описания структуры, необходимо проводить оценку принимаемых
решений. Как показывает опыт проектирования, эти задачи чрезвычайно
сложны и часто подвержены субъективному влиянию.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
142
4 Разработка топологии конструирования роторных
рабочих органов лесохозяйственных машин
Как видно из рисунка 3.3, под разработкой топологии конструирования понимается функциональное определение подсистемы и ее связей с другими системами. Функция (Ф), топология (Т) и принцип действия (ПД)
должны в совокупности дать принцип конструктивного решения. При разработке топологии формулируют функции и условия работы РО, определяют
подсистемы и их взаимосвязи, а также их структуры. При проектировании
лесохозяйственных машин возможно два варианта решения поставленной задачи: 1) конструктивные принципы решения задачи известны и из них выбираются оптимальные для решения поставленной задачи в соответствии с условиями производства и эксплуатации; 2) конструктивные принципы реализации заданных функций не известны и необходимо разработать новые
принципы или усовершенствовать известные. В обоих случаях необходима
систематизация известных конструктивных решений, предназначенных для
выполнения одинаковых или аналогичных функций, в том числе из смежных
отраслей техники. При разработке конструктивных решений структурных
элементов лесохозяйственной машины, в соответствии с рисунком 3.5, ведут
в последовательности, обратной направлению потока энергии: измельчающий элемент РО; рабочий орган; элементы управления (предохранительные
устройства); элементы привода; регулирующие элементы; несущие элементы. При расчете нагрузок, действующих в машине, придерживаются подобному принципу.
Известные в настоящее время методы разработки конструктивного
решения по степени формализации делятся на три группы: 1) эвристические
(неформализованные); 2) частично формализованные эвристические методы
– эвроритмы (часть операций описана в виде алгоритмов); 3) полностью
формализованные приемы и методы – алгоритмы. Формализованные алгоритмы относятся к конкретным объектам проектирования. Системы автоматизированного проектирования создаются на основе формализованных алгоритмов проектирования. Рассмотренные в предыдущем разделе морфологические методы функционального анализа относятся к первой и второй группам. При разработке концепции конструирования РО получают вначале
функциональное, а затем структурное описание.
4.1 Классификация роторных рабочих органов
по технологическому способу
Краткая терминология ТС
Измельчение (disintegrating) – технологический способ, заключающийся в разделение материала на части, с образованием новых поверхностей
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
143
со сложной формой и сопровождающийся, как правило, изменением внешней или внутренней структуры ИМ.
Резание (cutting) – процесс разделения материала на части путем давления по линии, с образованием новых плоских или криволинейных поверхностей, осуществляется с образованием или без образования стружки. Резание без образования стружки происходит, как правило, при нормальном воздействии лезвия по отношению поверхности материала (для почвы – вертикальное резание). Часто подобный способ резания именуют рубкой. Резание
вдоль слоев материала (для почвы – горизонтальное резание) всегда сопровождается отделением стружки.
Рыхление – изменение взаимного расположения слоев материала и
приведение слежавшегося материала в рыхлое состояние. В результате рыхления плотность ПТ уменьшается.
Крошение – дробление крупных частиц или агрегатов материала на
мелкие части, с образованием новых поверхностей сложной формы. Осуществляется одновременно с резанием и рыхлением, перемешиванием и оборачиванием.
Уплотнение – процесс изменения расположения частиц материала и
его агрегатов относительно друг друга, сопровождается образованием мелких
пор и восстановлением капилляров (для почвы), в результате плотность материала увеличивается.
Перемешивание - изменение взаимного расположения слоев материала без изменения плотности.
Дробление – размельчение материала методами сжатия и ударом.
В соответствии с ранее сформулированным принципом разработку
конструктивных решений, служащих для реализации частных функций, следует начинать с разработки рабочих пар. На рисунке 3.1 данная связь обозначена 4хi-1 → 3хi-1 →2хi-1 →1хi-1. Измельчающий элемент (ИЭ) РО осуществляет взаимодействие с измельчаемым материалом (ИМ), совершая рабочий
ход (РХ) при технологическом способе (ТС) воздействия. РО выполняет измельчение материалов, т.е. разделение ПТ на части без существенного нарушения его внутренней структуры. Взаимодействие РО с ПТ сопровождается деформациями, разрушениями и перемешиванием.
Анализ конструктивных решений (глава 1) показывает, что встречаются два принципиально различных ТС взаимодействия ИЭ с ИМ: механический способ при помощи специальных инструментов и немеханический. В
лесохозяйственных машинах наибольшее распространение получили механические способы воздействия ИЭ на ПТ.
В таблице 4.1 дана классификация некоторых способов механических
воздействий на предмет труда при измельчении и конструктивных решений,
необходимых для реализации данного способа.
Среди механических способов следует выделить: резание лезвием
(со скольжением и без скольжения – нормальное резание); рубка; резание
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
144
Таблица 4.1 - Классификация технологических способов (ТС) воздействия измельчаемых
элементов (ИЭ) с предметом труда (ПТ) – связь 4хi-1 → 3хi-1 →2хi-1 →1хi-1.
Систематизирующая
точка зрения
Наименование и суть ТС
Схема ТС
Наименование рабочих пар
Пример использования
Ножи прямые, плоские или волнистые
совершают поступательное или вращательное движение.
Материал отрезается от массива
Ножевые
устройства
рубительных машин
(рисунки 1.28 –
1.29). Ножевые
устройства для
импульсного перерезания лесоматериалов
Пассивные рабочие
органы
почвообрабатывающих машин
(рисунок
1.4).
Вибрирующие
рабочие органы.
Механические способы (инструментом)
1. Резание
1.1 Резание без отделения
стружки (блокированное резание), заключающееся в разделении ИМ на части с образованием как правило, плоских,
новых поверхностей, отрезание материала
1.1 Ðåçàíèå ëåçâèåì
íîðìàëüíîå áåç ñêîëüæåíèÿ
1.2 Резание клином с образованием новых поверхностей,
сопровождающееся деформированием ИМ
ñî ñêîëüæåíèåì
1.2 Ðåçàíèå êëèíîì
Нож, клин. Материал отрезается от
массива. Скорости
перемещения инструмента небольшие.
Иногда используют
инструмент, который вибрирует (16 –
30 кГц)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
145
Систематизирующая
точка зрения
Наименование и суть ТС
1.3 Резание с образованием
стружки отделением поверхностных слоев материала
1.4 Перерезание материала
растущего стебельчатого или с
использованием инерционного
подпора. Сопровождается значительными деформациями.
Схема ТС
Наименование рабочих пар
Пример использования
1.3 Ðåçàíèå ñ îáðàçîâàíèåì ñòðóæêè Ножи, обычно од- Рабочие
нолезвийные,
совершают поступательные или вращательные движения.
Противорежущих
элементов обычно
нет.
Ножи
совершают
вращательное и переносное движение .
Скорость
резания
ограничивается снизу.
ораны
роторных почвообрабатывающих машин,
фрезы (рисунок
1.4)
Рабочие органы
роторных косилок
(рисунок
1.24)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
146
СистематиНаименование и суть ТС
зирующая
точка зрения
2. Дробле- 2.1 Ударное действие на матение
риал разбиванием свободно
падающего кускового ИМ молотками, шарнирно соединенными с вращающимся ротором
Схема ТС
Наименование рабочих пар
Пример использования
Молотки, шарнирно
прикрепленные
к
ротору. Измельчение осуществляется
за счет инерционного подпора
Измельчитель
дробилки ИРТ165
(рисунок
1.32). Зерновые
дробилки
Вальцы
(валки)
(Roll Breaker), рабочая
поверхность
вальцов выполняется ребристой
Рабочие органы
машины
для
очистки семян
сосны сибирской
2.1 Ìîëîòêîâàÿ äðîáèëêà
2.2 Сжатие материала. Раздавливание (размалывание) сыпучего кускового ПТ путем пропускания его между двумя
вращающимися
навстречу
друг другу вальцами (валками)
2.2 Âàëêîâàÿ äðîáèëêà
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
147
Систематизирующая
точка зрения
Наименование и суть ТС
Схема ТС
2.3 Раздавливание кускового
ПТ путем пропускания его
между конусами, один из которых (с внутренней рабочей
поверхностью) неподвижен, а
второй (с внешней рабочей
поверхностью)
совершает
прецессионное движение
Наименование рабочих пар
Пример использования
Конусный ротор – Агрегат семяотконусная
втулка, делительный
иногда ротор вы- АС-0,5 [13]
полняется цилиндрическим и снабжается зубьями
2.3 Êîíóñíàÿ äðîáèëêà
Плита (щека) или Машина для изкожух – ротор, на влечения семян
роторе установлены МИС-1 [13]
зубья. Бегуны для
размалывания материала (цемента)
2.4 Размельчение кускового
ПТ путем пропускания его
между плитой (щекой) или
кожухом и ротором, совершающим
возвратновращательное движение
2.4 Ùåêîâàÿ äðîáèëêà
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
148
СистематиНаименование и суть ТС
зирующая
точка зрения
3. Истира- 3.1 Перетирание материала до
ние
частиц размером менее 5 мм
путем размалывания его между двумя рабочими поверхностями жерновов, один из которых неподвижен, а второй совершает вращательное движение
Схема ТС
Наименование рабочих пар
3.1 Ðàçìàëûâàíèå
Мельницы. Материал
измельчается
между двумя рабочими поверхностями.
3.2 Истирание материала в барабанах, частично заполненных твердыми шарами, либо
перетирание материала трением кусков друг о друга
Рабочими поверхностями являются
поверхности кусков
материала. Бункерные измельчители
3.2 Øàðîâàÿ ìåëüíèöà
Пример использования
Бункерная сучкорезная,
окорочная установка «Медведь»
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
149
Систематизирующая
точка зрения
4. Использование противорежущих элементов
Наименование и суть ТС
Схема ТС
Наименование рабочих пар
Пример использования
3.3 Измельчение частиц материала защемлением в колебательно изменяемом клиновом
зазоре между витками упругодеформируемого
рабочего
звена, совершающего вращательное движение относительно изогнутой оси
Витки
пружины.
При установке в
трубе
выполняет
транспортные
функции
Винтовой пружинный измельчитель, применяется в машинах для очистки
семян
4.1 Материал перерезается
ножом с использованием противорежущей пластины (резание пуансоном)
Пуансон, нож
4.2 Материал измельчается
ножом, а роль противорежущих элементов выполняют
острые кромки перфорированного реккатера
Дробильный барабан с шарнирно закрепленными
на
нем молотками (ножами) и система дек
и решет
Измельчители
кормоуборочных
машин. Измельчитель опавших
листьев (рисунок 1.42 )
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
150
Систематизирующая
точка зрения
Наименование и суть ТС
Схема ТС
4.3 Материал измельчается
ножом, а роль противорежущих элементов выполняют
рифленные реккатеры
Наименование рабочих пар
Пример использования
Рифленый реккатер Рабочие органы
по форме соответст- кормоуборочных
вует кожуху из- машин [3]
мельчителя, ребра
(рифли) выполняют
функцию противорежущей пластины
Немеханические способы
5. Измельчение электромагнитным излучением
5.1. На вращающиеся электроды подается электроэнергия от
высокочастотного генератора,
резание осуществляется за
счет диэлектрического пробоя
с образованием токопроводящего канала и возникновением
термических
напряжений,
приводящих к местному разрушению
Применяется в
машиноcтроении
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
151
Систематизирующая
точка зрения
Наименование и суть ТС
Схема ТС
5.2 Материал разрушается под
воздействием электромагнитного излучения высокой частоты (СВЧ) с образованием
множественных термических
напряжений. Иногда используется лазер
из- За счет местного нагрева (до 120 0С) и резкого
сброса давления, вода в материале быстро вскипает, что приводит к разрушению его внутренней структуры. Иногда применяют замораживание.
6.2 Измельчение за счет вы- ИМ насыщается газом за счет повышения давсокого давления газов (при ления и продолжительного времени, затем даввзрыве), либо за счет резкого ление резко сбрасывается. Внутри материала
снижения давления (вакуум- создается избыточное давление, которое приводит к разрушению
ное измельчение)
7. Воздейст- Использование звука или зву- Воздействие звука на материал вызывает в нем
вие звуком
ка УВЧ
термические или механические напряжения, которые приводят к разрушению
6. Термоме- 6.1 Термодинамическое
ханическое
мельчение
измельчение
Наименование рабочих пар
Пример использования
Излучатель, соче- Применяется в
тающий высокочас- машиностроении
тотное
магнитное
поле с механическими колебаниями
Измельчительдеструктор
НИИИ Лесостепи и Полесья
(Украина) [2]
(А.с. СССР №
793484)
Измельчение
пней взрывом
Иногда используют Применяется в
механические инст- машиностроении
рументы, колеблющиеся с ультразвуковой частотой
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
152
пуансоном; крошение; истирание; раскалывание; дробление и т.д. Описание
данных способов приведено в литературных источниках [2, 4, 30, 31,44,112].
Каждый способ воздействия на предмет труда требует соответствующего
конструктивного воплощения ИЭ.
В таблице 4.1 приведены далеко не все возможные технологические
способы воздействия на предмет труда с целью его измельчения. Каждый из
вариантов технических устройств может сочетать в себе возможные комбинации ТС и выполняемых частных функций. Для составления функционального описания объекта проектирования используется матричный способ,
описанный в 3 главе. При конструировании изделий машиностроения чаще
всего используется структурное описание объекта проектирования. Остановимся на данном описании подробнее.
4.2 Составление графа конструктивных решений
По функциональному описанию объекта проектирования строится его
структурное описание. При разработке топологии конструирования РО удобно воспользоваться способом, изложенным в справочном пособии [77], и используемым для описания структур и связей между элементами. Топологическое описание системы в виде графов позволяет определить составные
части системы. Конструктивные решения, направленные на выполнение частных функций, представляются в форме графа, называемого И-ИЛИ дерева.
Данный способ был апробирован нами в учебном процессе при проектировании манипуляторов лесных машин [86]. На графе в виде вершин показываются структурные элементы, в качестве которых выступают сборочные единицы, детали или элементы деталей. Рядом со структурной вершиной показываются вершины признаков двух типов (И – ИЛИ). На графе дуги обозначают связи между структурными элементами. Графы имеют различную степень детализации и могут относиться как ко всей машине, так и к любому ее
структурному элементу. Дерево технических решений может применяться
для выбора по нему по требуемым признакам конструктивных элементов с
помощью ЭВМ [82]. Техническое решение, как описание структуры ТС,
включает в себя полную информацию о функциональных элементах (комплексы, сборочные единицы, детали), связях между ними, взаимном расположении, особенностях исполнения конструктивных элементов, геометрической форме, параметрах всех элементов. ТС состоит из конечного множества
элементов, входящих в функциональное описание. Из таблицы 3.5 видно, что
функциональное описание элемента включает в себя два параметра: систематизирующую точку зрения и отличительный признак. Первый параметр
указывает об общих признаках объекта, а второй – несет информацию об
конкретном конструктивном элементе.
Суть подхода заключается в следующем: РО представляется в виде
множества конструктивных элементов, сгруппированных по функциональ-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
153
ному признаку. Каждый функциональный элемент РО в свою очередь может
быть рассмотрен как конечное подмножество конструктивных элементов более низкого иерархического уровня. Единство РО, как технической системы
и всех входящих в него элементов, обеспечивается взаимосвязью общих и
частных функций, а также единым и компактным конструктивным исполнением в виде агрегата. Граф функциональных элементов РО (Г) включает
множество функциональных элементов (Ф) (вершин графа) и множество связей (С) ребер графа Г=Т{ Ф, С}. Часто связи, описывающие подчиненность
функциональных элементов, не пересекаются и образуют дерево конструктивных решений. Для построения дерева придерживаются следующей методики [77]:
1 По сборочному чертежу РО изучают техническую систему и проводят ее декомпозицию, расчленяя на составные конструктивные элементы.
Декомпозиция проводится до элементов, расчленение которых конструктивно невозможно (детали);
2 Определяют общую функцию системы и выполняют функциональный анализ с выделением частных функций (глава 3). Частные функции выделяют таким образом, чтобы они выполнялись одним конструктивным элементом.
Количество уровней определяется сложностью РО. Хотя ЕСКД ограничивает расчленение систем до деталей (на рисунке 3.1 данное положение
описывается рабочей парой: измельчающий элемент ↔ измельчаемый материал), часто декомпозицию осуществляют до рабочих поверхностей (контуров) или пересечений рабочих поверхностей (лезвия). Данное обстоятельство
приобретает решающее значение при разработке графической базы данных
ИЭ. Различные РО, выполняющие одинаковую функцию и имеющее общее
функциональное описание, представляются одинаковым деревом. Одинаковые функциональные элементы РО обозначаются на схеме вершинами типа
И, а элементы, выполняющие одинаковое функциональное назначение, но
имеющие различное (альтернативное) конструктивное исполнение – вершинами типа ИЛИ. Описание технических решений рабочих органов лесохозяйственных машин в виде графов, способных хранить в компактном виде
информацию в ЭВМ о множестве технических решений и способах визуализации их в виде конструкторской документации, относящихся как к структурным, так и функциональным элементам, нами в литературных источниках
не обнаружено.
В работе [77] предлагается для построения общего графа проектируемого объекта использовать три метода: 1) вначале по одному конструктивному решению, принятому за базовый вариант, строится граф, а затем он достраивается по альтернативным конструктивным решениям; 2) строятся графы
по всем известным конструктивным решениям, а затем они объединяются в
один граф; 3) все множество конструктивных решений по систематизирующей точке зрения разбивается на подмножества, внутри каждого из них
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
154
строится граф, затем графы объединяются в один граф. Построение графа,
охватывающего все множество конструктивных решений, без автоматизации
данного процесса на ЭВМ, является довольно трудоемким делом.
В работах В.А. Дорошенко В.А. Лозового, В.И. Дитриха (СибГТУ)
приведены примеры использования ориентированных графов для структурного и функционального описания технологического оборудования для обработки древесного сырья, которые используются для синтеза новых технологических систем. Результатом синтеза является описание систем в виде
схем.
Воспользуемся методами теории графов для составления дерева конструктивных решений для РО, изображенного на рисунке 1.42. Примем порядок составления графа аналогичным порядку сборочных операций. Такой
метод позволит наглядно составлять сборочные единицы на основе деталей
(что особенно важно при разработке конструкторской документации) и хранить информацию о конструктивных элементах в ЭВМ в компактном виде,
удобном для параметрического проектирования.
На рисунке 4.1 представлено дерево конструктивных решений, на котором вершины типа И помечены темными кругами, а вершины типа ИЛИ светлыми. За базовый элемент примем вал ротора (3), который присутствует
во всех конструктивных решениях и может выполняться по своей конструкции сплошным цилиндрическим (3.1) или ступенчатым (наиболее распространен в рабочих органах лесохозяйственных машин), полым (трубчатым)
(3.2). Вал устанавливается в опорах (2). На валу устанавливаются несущие
элементы (4), обычно выполняемые в виде дисков (4.1) или барабана (4.2 –
4.3). На несущих элементах (4) посредством крепления (6) монтируются измельчающие элементы (7), которые выполняются в нескольких альтернативных вариантах. Каждый конструктивный элемент РО может описываться
собственным графом конструктивных решений. При объединении конструктивных решений в одно используется принцип совместимости выполняемых
ими функций.
Описание каждого конструктивного элемента хранится в графической
базе данных в виде программы (на языке программирования AutoLISP).
Объектно-ориентированная база данных, построенная по топологическому
признаку, включает также описания связей между элементами, систему запросов и способы визуализации конструктивных решений в виде сборочных
чертежей и чертежей деталей. Такая база данных для роторных рабочих органов, включающая наиболее распространенные, перспективные и оригинальные конструктивные решения, обладающими наиболее высокими технико-экономическими показателями, составлена [113] и описание ее будет
приведено далее. Граф конструктивных решений позволяет на любой стадии
разработки и на любом уровне структуры дополнять базу данных, давать
ссылки на существующие базы данных, причем поиск конструктивных элементов в базе данных можно осуществлять не только по их конструктивным
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
155
признакам, но и по выполняемым функциям. База данных может с успехом
включать стандартные конструктивные изделия и элементы. На выходе информация представляется в виде конструкторской документации. Задача заключается в разработке алгоритма выбора вариантов конструктивных решений из базы данных.
На основе топологического графа конструктивных реализаций РО
может быть предложена классификация РО по конструктивным признакам и
особенностям. В таблице 4.2 приведена классификация конструктивных решений с указанием систематизирующих точек зрения и условного кода. В
механике машин под ротором понимается тело, которое при вращении удерживается своими несущими поверхностями в опорах (А.Ф. Крайнев). Несущими поверхностями РО являются цапфы. В лесохозяйственных машинах
распространены двухопорные роторы.
Ниже даются пояснения к таблице 4.2. Каждый вариант реализации
имеет условный код, состоящий из двух цифр, разделенных точкой (указан в
подрисуночной надписи). Первая цифра кода указывает на систематизирующую точку зрения, а вторая – на конструктивное исполнение. Вариант реализации межопорного ротора (код 1.1) встречается наиболее часто [ФБН-2 (рисунок 1.1), ОДЗ-3,0 (рисунок 1.28) , рубительные машины (рисунок 1.29) и
др.]. Консольный ротор (код 1.2) получил распространение в почвообрабатывающих машинах с вертикальным расположением РО [КФВ-3.6 (рисунок
1.12), ВРБ-3,6 (рисунок 1.11), садовый культиватор (рисунок 1.14) и др.].
Двухконсольный ротор установлен в культиваторе КФ-5.4 (рисунок 1.13).
Классификация РО по расположению оси их вращения в пространстве и по
направлению движения агрегата приведена подробно в нашей работе [132].
Для составления уравнений динамики важное значение имеет стабильность
массы при вращении ротора. Ротор, у которого при вращении меняется относительное расположение масс, в механике машин относят к роторам с изменяющейся геометрией (mechanically unstable) (код 1.5). К таким роторам мы
относим РО, имеющие хотя бы один гибкий, упругий или шарнирно закрепленный элемент. Под данный признак подпадают РО роторных косилок (рисунок 1.24, 1.25, 1.26), молотковых дробилок (рисунок 1.33), а также РО с
гибкими ИЭ (рисунок 1.38). В лесохозяйственных и сельскохозяйственных
машинах получили распространение РО, у которых ИЭ устанавливаются на
цилиндрических (код 1.6) (АПК-10А, рисунок 1.33) или конических (код
1.7) барабанах (машина для удаления пней МУП-4, рисунок 1.18). Дисковые
РО (код 1.8) устанавливаются, например, в рубительных машинах (МРН-25,
рисунок 1.29). В высокоскоростных РО применяют шарнирное крепление ИЭ
к ротору, а валы выполняют пустотелыми (код 1.9). Такие роторы получили
распространение в зарубежных кормоуборочных машинах, а также в машинах для измельчения древесной зелени (рисунок 1.30). В некоторых машинах
используются роторы, имеющие сложную форму (код 1.10) (машины для
подрезки
чая
АПП-600А
и
ГПЧ-76).
В
машинах
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
156
1 Ðîòîðíûé ðàáî÷èé îðãàí
2 Îïîðû
2.1 Öèëèíäðè÷åñêàÿ
íåïîäâèæíàÿ
2.1.1 Êà÷åíèÿ
ïîäøèïíèêîâàÿ
2.1.2 Ñêîëüæåíèÿ
ïîäøèïíèêîâàÿ
2.5 Æåñòêàÿ
6.1 Æåñòêîå
6.1.1 Áîëòîâîå
3 Âàë
2.2 Øàðîâàÿ
íåïîäâèæíàÿ
3.1 Ñïëîøíîé
öèëèíäðè÷åñêèé
3.2 Ïîëûé
(òðóá÷àòûé)
2.3 Îñåâàÿ
2.4 Ðàäèàëüíàÿ
2.6 Óïðóãàÿ
(ïîäàòëèâàÿ)
6.2 Øàðíèðíîå
6.1.2 Êëèíîâîå
3.3 Æåñòêèé
3.4 Ãèáêèé
5.1 Ýëåêòðè÷åñêèé
4.1 Äèñêè
4.2 Áàðàáàí
öèëèíäðè÷åñêèé
5.2 Ãèäðàâëè÷åñêèé
5.3 Ïðóæèííûé
4.3 Áàðàáàí
êîíè÷åñêèé
5.4 Ìàõîâè÷íûé
5.5 Ãðàâèòàöèîííûé
4.4 Ñëîæíîé
ôîðìû
5.6 Áèîëîãè÷åñêèé
6 Êðåïëåíèå ÈÝ
6.3 Óïðóãîå
5 Ïðèâîä
4 Íåñóùèé ýëåìåíò
7 ÈÝ
7.1 Íîæè
7.2 Ìîëîòêè
сунок 4.1 Топологический граф (дерево) конструктивных решений
7.3 Øòèôòû
Ри
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
157
Таблица 4.2 – Классификация РО по конструктивным признакам
Систематизирующая
точка зрения
1.
По конструктивной схеме
ротора
По расположению РО в
опорах
По геометрии
РО
Варианты реализации
Îïîðà ÐÎ
Öàïôà
1 .2 Ê î í ñ î ë ü í û é ð î ò î ð
1.4 С неизменяющейся геометрией (при вращении не изменяется
относительное расположение масс)
По форме РО
1.3 Äâóõêîíñîëüíûé ðîòîð
1.5 С изменяющейся геометрией (при вращении
изменяется относительное расположение масс,
либо имеются упругие, гибкие или шарнирно закрепленные элементы)
1.7 Áàðàáàííûé êîíè÷åñêèé
1.6 Áàðàáàííûé (öèëèíäðè÷åñêèé) ÐÎ
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
158
Систематизирующая
точка зрения
Варианты реализации
1.9 Ðîòîðíûé ÐÎ
1.8 Äèñêîâûé ÐÎ
1.10 Áàðàáàííûé ñëîæíîé ôîðìû
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
159
Систематизирующая
точка зрения
Варианты реализации
1.13 Ðîòîðíûå äâîéíîãî äåéñòâèÿ
1.12 Ìíîãîðîòîðíûå ïëàíåòàðíûå
2.
По конструкции опор
2.2 Øàðîâàÿ íåïîäâèæíàÿ
2.1 Öèëèíäðè÷åñêàÿ íåïîäâèæíàÿ
2.3 Îñåâàÿ
2.4 Ðàäèàëüíàÿ
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
160
Систематизирующая
точка зрения
Варианты реализации
2.5 Æåñòêàÿ
2.6 Óïðóãàÿ (ïîäàòëèâàÿ)
2.1.2 Ïîäøèïíèêîâàÿ ñêîëüæåíèÿ
2.1.1 Êà÷åíèÿ ïîäøèïíèêîâàÿ
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
161
Систематизирующая
точка зрения
Варианты реализации
2.1.1.1
Ïîäøèïíèêîâàÿ
êîíè÷åñêàÿ
2.1.1.2 Ïîäøèïíèêîâàÿ
êîìáèíèðîâàííàÿ
3.
По конструкции вала
3.1 Ñïëîøíîé, öèëèíäðè÷åñêèé (ïðÿìîé ñòóïåí÷àòûé)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
162
Систематизирующая
точка зрения
Варианты реализации
3.2 Ïîëûé (òðóá÷àòûé)
3.3 Жесткий вал (с неизменяемой формой продольной оси)
обладает большой жесткостью
на изгиб и кручение
3.4 Гибкий вал (тросовый или
проволочный) обладает малой
жесткостью на изгиб и большой жесткостью на кручение
(привод мотоинструмента
«Секор – 3»)
3.5 Телескопический вал,
составленный из относительно подвижных в осевом направлении деталей
(телескопическое соединение карданного вала
привода)
3.6 Вал для передачи
крутящего момента между несоосными или пресекающимися под некоторым углом валами РО
(карданный, шарнирный,
гибкий, ШРУС)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
163
Систематизирующая
точка зрения
4.
По конструкции несущих
элементов
Варианты реализации
2
Ñõåìà ìàøèíû äë
4.1 Диск
8
4.2 Барабан цилиндрический
9
10
4.3 Барабан конический
4.4 Водило
4.5 Фланец
4.6 Резервуар
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
164
Систематизирующая
точка зрения
Варианты реализации
4.7 Барабан сложной формы (КЛФ-0,8)
4.8 Ротор для измельчения пней
(А.с. СССР № 388716)
6.
По способу
крепления измельчающих
элементов к
РО
6.4 Гибкое
6.1 Жесткое: клиновое
или болтовое
6.2 Шарнирное
6.3 Упругое
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
165
Систематизирующая
точка зрения
7.
По форме измельчающих
элементов:
с неизменяемой формой (геометрией);
с изменяемой
формой
Варианты реализации
7.1 Ножи почвообрабатывающих машин
7.2 Измельчающие элементы роторных рабочих
органов кормоуборочных машин
7.3 Молотки
7.5 Винтовой и спиральный нож
7.6 Диск
(рисунок 1.4)
7.4 Плоский нож
7.8 Гибкий ИЭ
7.7 Штифты
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
166
для обрезки древесно-кустарниковой растительности применяются многопильные РО (код 1.11) (А.с. СССР № 793485, патент США № 4259834).
В газонокосилках для увеличения скорости взаимодействия с предметом труда с целью повышения качества реза травостоя на партерных газонах используется планетарная многороторная конструкция РО (код 1.12), позволяющая увеличить линейную скорость ножей до 90 м/с (А.с. СССР
№ 1144650). С целью повышения качества измельчения применяются роторы
двойного действия (код 1.13), вращающиеся в разные стороны (Патенты
США № 4505096 и № 4214617).
Ротор РО устанавливается в опорах, которые в совокупности с основанием накладывают ограничения на его перемещения, а также обеспечивают относительное центрирование деталей. У подавляющего числа РО встречаются цилиндрические неподвижные опоры (код 2.1), допускающие только
вращение вокруг своей оси. Реже применяется шаровая неподвижная опора
(код 2.2), допускающая только вращение вокруг любой оси, проходящей через точку опоры. На такой опоре установлен ротор конической молотковой
дробилки (таблица 4.1, позиция 2.3). Под данный классификационный признак подпадают опоры на базе сферических подшипников, устанавливаемых
на разрезных конических втулках, которые обеспечивают компенсацию перекосов продольных осей валов РО, применяемых в машинах, корпус которых имеет малую жесткость. По способу восприятия нагрузок опоры подразделяются на опоры осевые (код 2.3) и опоры радиальные (код 2.4). Обычно в
опорах РО применяются стандартные конструктивные элементы. В быстроходных РО применяются, как правило, подшипники качения (шариковые или
роликовые) (код 2.1.1), а у тихоходных – подшипники скольжения (код
2.1.2). Имеют место подшипниковые конические опоры (код 2.1.1.1) и подшипниковые комбинированные (код 2.1.1.2). В упругой (податливой) опоре
(код 2.6) реакция зависит от перемещения. В жесткой опоре (код 2.5) реакция
не зависит от перемещения.
Вал РО устанавливается в опорах с возможностью вращения и предназначен для передачи вращающего момента к другим частям РО. Вал передает на опоры осевые и радиальные нагрузки и поддерживает РО. Наибольшее применение получила конструкция сплошного (цилиндрического) вала
(код 3.1), который выполняется прямым или ступенчатым. Часто на валах
предусматриваются конструктивные элементы для установки деталей привода. Полый (трубчатый) вал (код 3.2) получил широкое распространение в
измельчителях кормоуборочных машин (рисунки 1.24, 1.25, 1.26). Такие валы
обладают меньшей массой и часто выполняются по системе вала, с установкой в опорах на основе сферических подшипников на разрезных и зажимных
конических втулках. При конструктивных расчетах обычно принимают жесткую конструкцию вала (с неизменяемой геометрией продольной оси) (код
3.2). Имеют место конструкции тросового или проволочного гибкого вала,
обладающего малой жесткостью на изгиб, но большой жесткостью на кру-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
167
чение (код 3.3) (мотоинструмент «Секор – 3»). Редко встречаются телескопические конструкции валов, составленных из относительно подвижных в осевом направлении деталей (код 3.4) (телескопическое соединение карданного
вала привода РО). Под конструктивный признак (код 3.6) подпадают валы
для передачи крутящего момента между соосными или пересекающимися валами РО (карданные валы).
ИЭ чаще всего закрепляются не непосредственно на валах, а на несущих элементах (НЭ). Конструктивные схемы последних очень многообразны.
Имеют место НЭ, конструктивно выполненные в виде дисков (код 4.1) (рисунки 1.42, 1.43), устанавливаемых на шпонке на валу. В почвообрабатывающих машинах ИЭ закрепляются жестко на барабанах цилиндрических
(код 4.2) (рисунок 1.3) или конических (рисунок 1.18). В планетарных РО
роль НЭ выполняет водило (код 4.4), внутри которого устанавливается привод (А.с. СССР № 967390 и 348175). В быстроходных РО часто ИЭ устанавливаются шарнирно на фланцах, приваренных к полому валу (код 4.5) (рисунок 1.26). Вышеназванные НЭ имеют постоянный момент инерции, однако встречаются НЭ, выполненные в виде резервуара, заполненного жидкостью (код 4.6) (А.с. СССР № 888830) с целью сглаживания пиковых нагрузок
при встрече ножей с препятствиями. В профильной фрезе канавокопателя
КЛФ-0,8 тарельчатые ИЭ установлены на винтовых НЭ, выполненных по
винтовой образующей (код 4.7), а в роторе для измельчения пней (код 4.8)
(А.с. СССР № 388716) тарельчатые ИЭ смонтированы на конусе. Конструкции приводов РО в данной работе не рассматриваются.
По способу крепления ИЭ к ротору могут классифицироваться следующие конструктивные схемы: жесткое (клиновое или болтовое) (код 6.1),
получившее наибольшее распространение в почвообрабатывающих машинах; шарнирное (код 6.2) (рисунки 1.42, 1.43); упругое (код 6.3) (рисунок
1.45) и гибкое (код 6.4). Последние три способа крепления обеспечивают
предохранение устройства при встрече ИЭ с трудоизмельчаемыми препятствиями (Патенты Финляндия № 62613 и США № 4402352).
Наибольшим многообразием конструктивных схем отличаются ИЭ,
выполняющие функцию технологического воздействия на предмет труда.
Все ИЭ можно условно разделить на две большие группы: А) с неизменяемой
формой , однозначно описываемой геометрическими параметрами, и с изменяемой формой (гибкие ИЭ).
Ножи почвообрабатывающих машин гостированы (рисунок 1.4).
Единой терминологии для описания конструкций ИЭ до настоящего времени
не установлено. Если воспользоваться классификацией по технологическому
способу воздействия на предмет труда, приведенной в таблице 4.1 (позиции
1.1 – 1.4), то функцию резания выполняют ножи (коды 7.1, 7.2), а ударное
измельчение – молотки (код 7.3). По форме ножи можно классифицировать
как плоские (код 7.4), встречающиеся в газонокосилках, кормоуборочных
машинах, машинах для измельчения древесной зелени. Винтовые ножи по-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
168
лучили распространение в машинах для извлечения семян из сочных плодов
и ягод, а спиральные – в машинах для измельчения травянистой растительности (код 7.5). Спиральные ножи, лезвия которых очерчиваются окружностью
либо спиралью Архимеда, осуществляют резание со скольжением и часто
выполняются с двухсторонней заточкой лезвия. Дисковые ИЭ (код 7.6)
встречаются в машинах для подрезки древесно-кустарниковой растительности («Секор-3»). Режущая часть таких ИЭ часто образуется зубьями, нарезанными на диске, либо формируется за счет установки режущих сегментов
(ножей). В газонокосилках получили распространение ножи с несущей частью (рисунок 1.35). Штифтовые ИЭ (код 7.7) используются в РО машин
для измельчения зерна и других концентрированных кормов. Гибкие ИЭ (код
7.8) имеют изменяющуюся геометрическую форму продольной оси и используются в РО газонокосилок [Патент США № 4505096 (рисунок 1.38)].
4.3 Разработка алгоритма поиска конструктивных решений
Приведенная выше классификация РО по конструктивным признакам
позволяет сформулировать основные положения алгоритма поиска конструктивных решений из существующих, а также обозначить новые и разрабатываемые технические решения.
Для решения поставленной задачи необходимо каждое конструктивное решение, определяемой графом Г (рисунок 4.1) дополнить формальными признаками. Конечно, полностью формализованный алгоритм выстроить
не представляется возможным, поэтому пользователь на любом этапе должен
иметь возможность эвристического выбора. Воспользуемся матричным методом и составим матрицу соответствия [77]. Пусть строки матрицы М –
функциональные элементы Ф, а столбцы – признаки элемента из их полного
множества С. Матрица М определена на множестве значений: +1, 0, - 1, где
+1 – конструктивное решения (КР) для данного функционального элемента
РО улучшает соответствующий признак; 0 – КР не оценивается данным признаком; -1 – ТР ухудшает соответствующий признак. Матрица соответствий
позволит выбрать нехудший вариант ТР. Дерево конструктивных решений
позволяет на этапе проектирования прорабатывать несколько вариантов КР и
проводить их оценку по критериям эффективности (критерии будут рассмотрены в следующем разделе). Подсчитаем количество вариантов ТР для графа
Г (рисунок 4.1). У него 14 вершин (обозначены кружочками), из них одна –
корневая –1, три вершины И (кружочки затенены), 10 вершин ИЛИ (кружочки незатемнены). Согласно разработанным алгоритмам [71,82, 83] в комбинацию варианта ТР обязательно входит корневая вершина, определяющая
название всего алгоритма, вершины И и по одной из комбинаций вершин
ИЛИ. Например для ТР, изображенного на рисунке 1.43, комбинация запишется: 1 – 2.1 – 2.1.1 – 2.4 – 3.1 – 3.3 – 4.1 – 5.1 – 6.2 – 7.1. Словами данный
вариант можно записать: роторный рабочий орган, включающий установ-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
169
ленный в цилиндрической неподвижной подшипниковой жесткой опоре
сплошной цилиндрический жесткий вал, на котором смонтирован барабанный цилиндрический несущий элемент в виде дисков, с шарнирно закрепленными на нем ножевыми измельчающими элементами, а привод ротора
выполнен электрическим. Каждый вариант ТР включает как минимум 6 конструктивных элементов. Поскольку граф Г составлялся с целью классификации конструктивных решений, то некоторые его вершины не имеют конкретного конструктивного воплощения, а несут информацию об особенностях ТР.
Выбор ТР на основе графа Г дает множество концептуальных решений и может служить для качественного анализа проектных решений. Такое
обстоятельство не может нас устроить. Данные методы могут применяться на
стадии технического проекта и при разработке графических баз данных.
Применение ЭВМ позволяет осуществлять поиск оптимальных ТР на основе
параметров или критериев эффективности с выдачей информации в виде
конструкторской документации. Параметры - это величины, характеризующие каждый элемент множества ТР. Конструирование возможно только на
основе обоснования параметров.
На основе анализа конструктивных решений, изложенного в разделе 1
и 2, были выявлены определяющие параметры РО. К определяющим параметрам относят главный и основные параметры. К главному параметру проектирования роторных рабочих органов следует отнести производительность (кг/с), которая наиболее полно отражает функциональное назначение
изделия. За основной конструктивный параметр можно принять объем (м3),
занимаемый ротором. Его можно принять равным объему воображаемого цилиндра, образующая поверхность которого проходит по концам измельчающих элементов. Данный параметр наиболее полно оценивает геометрические
размеры рабочего органа. К основному кинематическому параметру, определяющему динамику функционирования рабочего органа, следует отнести линейную скорость движения по концам измельчающих элементов (м/с). К параметру, определяющему качество конструирования, можно отнести массу
рабочего органа (кг). Анализ опубликованной информации показывает, что
классификация роторных рабочих органов по вышеуказанным параметрам и
разработка типоразмеров не проводились. В работе [132] нами приводилась
классификация роторных рабочих органов сельскохозяйственных и лесохозяйственных машин по величине скорости взаимодействия с предметом труда. При разработке параметрического ряда основных параметров задача проектирования изделия сводится к выбору параметров из базы данных.
Принципы параметрического проектирования реализованы во многих САПР [КОМПАС (АСКОН), Mechanical Desktop (Autodesk, Inc.), SolidWorks и др.]. Основой данных систем является проект, реализованный в виде
дерева конструктивных решений и комплекта конструкторской документации. На основе указанных систем проектирования можно реализовать результат проектирования в виде конструкторской документации, удовлетво-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
170
ряющей всем требованиям ЕСКД. Документация оформляется автоматически. Системы полностью проработаны для стандартных изделий (деталей и
сборочных единиц) и конструктивных элементов.
Поскольку каждый элемент РО, определяется своими параметрами,
то для их сравнения при выборе описаний из базы данных (БД), необходимо
определить показатели эффективности, позволяющие сравнивать различные
системы. В их качестве могут выступать значения основных параметров
проектирования, отнесенные к главному параметру. В роли комплексного
показателя эффективности обычно используются приведенные затраты. БД
чаще всего формируется по модульному принципу. На рисунке 4.2 показана
топологическая схема организации графической БД. БД включает в себя базу
данных стандартных деталей, конструктивных и типовых элементов и материалов, а также данные по предшествующим разработкам. За основу данной
БД может быть взята конструктивная библиотека КОМПАС (АСКОН).
Поиск конструктивных решений на основе БД может осуществляться
в нескольких режимах: 1. На экране собирается конструктором графическое
изображение (ГИ), которое формируется из его составных элементов, путем
их размещением на базовом элементе; 2. ГИ формируется из составных частей на основе алгоритмов оптимизации проектных параметров по заданным
критериям; 3. ГИ формируется путем выбора параметров из параметрического ряда; 4. ГИ и комплект конструкторской документации формируется в
автоматическом режиме на основе заданных определяющих проектных параметров.
ÁÄ ÐÎ
Îïîðû
Âàëû
Íåñóùèå ýëåìåíòû
Ïðèâîäû
ÈÝ
ÁÄ ñòàíäàðòíûõ è
íîðìàëèçîâàííûõ
äåòàëåé è ýëåìåíòîâ
ÁÄ ìàòåðèàëîâ
Íîæè
Ãèáêèå ÈÝ
Ìîëîòêè
Óïðóãèå ÈÝ
Øòèôòû
Ýëàñòè÷íûå ÈÝ
Рисунок 4.2 – Топологическая схема графической БД
Во всех режимах поиска конструктивных решений происходит оперирование с конструктивными модулями, хранящимися в БД в соответст-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
171
вующих форматах данных и объединяющих унифицированные узлы, агрегаты, типовые проектные решения, предыдущие наработки, заимствованные
элементы, комплекты КД на типоразмерное изделие. Конструкторская БД
может использоваться для других целей проектирования, не связанных с разработкой КД. Организация информации в БД может осуществляться несколькими способами: 1. На уровне графических изображений (чертежей);
2. В компьютерных форматах (например, в виде трехмерных моделей). В
первом случае выбор конструктивных решений осуществляется перебором
изображений (чертежей) элементов и выбором необходимых данных по
субъективным критериям конструктора. При втором способе информация
востребуется из БД по формальным критериям и структурному описанию.
При таком подходе формирование сборочного чертежа выполняется одновременно с составлением графа РО. На входе в БД имеем структурное описание изделия (схему), величины главного и основных параметров, на выходе –
комплект КД, необходимый и достаточный для изготовления изделия. Организация БД будет раскрыта позднее. На рисунке 4.3 показана схема поиска
конструктивных решений. На начальном этапе формируется запрос, который
может, в частности, включать в себя: структурное описание объекта проектирования; значение главного и определяющих параметров проектирования.
А л гори тм
БД
Графика
КД
Б лок ре ализа ц ии КД
Оп тими зац ия
Зап ро с
Рисунок 4.3 – Схема поиска конструктивных решений
Запрос формируется на языке SQL и передается в блок, реализующий
оптимизационный алгоритм определения всех проектных параметров по заданным критериям и включающий в себя границы изменения параметров и
функциональные ограничения. На основании графической БД и алгоритма
конструирования на основе технических и программных средств машинной
графики с использованием конструкторских библиотек на выходе получается
конструкторская документация.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
172
5 Основные принципы конструирования
лесохозяйственных машин на современном этапе
На современном этапе развития общества необходимо при создании и
использовании машин для лесохозяйственного производства учитывать новые условия, которые выражаются в отсутствии централизованного государственного обеспечения лесного хозяйства новой техникой. Заводы лесного
машиностроения переходят на средний и мелкосерийный выпуск техники на
основе маркетинговых исследований. В то же время, в хозяйствах сохранилось большое количество ранее выпущенных машин. Задача состоит в повышении эффективности их функционирования в условиях перехода к рыночным способам хозяйствования. Ставится насущная задача расширения номенклатуры выпускаемой лесохозяйственной техники в сроки меньше традиционных в 2 – 3 раза.
В сельскохозяйственном машиностроении в последние годы наблюдается тенденция перехода к новым принципам создания техники и реформирования сельскохозяйственного производства [Cостояние инженернотехнического обеспечения села и сельскохозяйственного машиностроения. М.: Издание Государственной Думы, 1998. – 78 с.]. Принципы агроландшафтного земледелия предусматривают: 1) сохранение оптимального соотношения природных ресурсов; 2) оптимизация соотношения площадей под
угодья; 3) сохранение среды обитания флоры, фауны, людей; 4) многофакторная адаптация растений в системе растение-почва-климат; 5) гарантированное воспроизводство природных ресурсов. В области прогрессивной организации производства предусматривается реализация принципов адаптивного землепользования: 1) дифференциальное использование потенциала
среды; 2) оптимизация севооборотов; 3) экологичность производства; 4) ограничение антропогенной нагрузки на среду. Реализация принципов агроландшафтного земледелия и адаптивного землепользования определяют требования в отношении всех субъектов системы человек-общество-природа.
Ориентация на сохранение естественного оптимума соотношений природных
ресурсов и площадей определяет объем и виды работ, а также обуславливает
региональные приоритеты по производству определенной продукции. Реализация принципа гарантированного воспроизводства природных ресурсов требует разработки машинных технологий с сохранением природного баланса
региона. Принцип ограничения антропогенной нагрузки на среду требует от
конструкторов выбора оптимальных нагрузок машин на почву, при которых
не происходит нарушения экологического равновесия в природе.
Наблюдается тенденция к усилению региональных особенностей при
проектировании систем машин. Такие принципы в частности предусматривают: 1) вариантность машиноиспользования; 2) альтернативность принятых
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
173
технологических решений и систем машин; 3) минимизация топливноэнергетических, материальных и трудовых ресурсов; 4) оптимальное сочетание многооперационных и специализированных машин; 5) формирование адресной системы сервиса; 6) экологичность использования машин. Выполнение указанных принципов требуют от конструкторов разработки пакета лесоводственных требований к машинам, созданию типоразмеров по производительности, размерно-массовым характеристикам, комплектациям, способам агрегатирования.
Существенно возрастают требования к человеческому фактору:
1) комфортность, эргономичность и престижность; 2) безвредность производства; 3) безопасность жизнедеятельности; 3) удобство и простота в управлении, обслуживании и ремонте; 4) социальная защищенность работников; 5)
повышение квалификационных требований [Мазуркин П.М. Биотехническое
проектирование: Справочно-методическое пособие. – Йошкар-Ола: МарПИ,
1994. – 348 с.].
Возрастание роли экологических и ресурсосберегающих факторов
требуют от конструкторов создания высокопроизводительной техники с
обеспечением конкурентоспособности на внутреннем и внешнем рынках.
Все принципы конструирования, применяемые при проектировании
роторных рабочих органов, можно условно разбить на три группы: 1) общемашиностроительные принципы; 2) принципы, обусловленные спецификой
применения машин в лесном хозяйстве; 3) принципы, обусловленные особенностями объекта проектирования.
5.1 Конструирование с позиций системности машин
При проектировании РО следует учитывать системный подход, который должен обеспечить максимально возможный эффект при использовании
РО в машине, а машине – в составе системы машин. Система машин, разрабатываемая для лесного хозяйства, определена нормативными документами
[Система машин для комплексной механизации сельскохозяйственного производства. Ч. 1У. Лесное хозяйство и защитное лесоразведение. – М.:
ЦНИИТЭИ, 1981. – 204 с.]. Данная система машин явилась информационноаналитической базой для определения и прогнозирования основных параметров разрабатываемых машин. В 1996 году была утверждена система технологий для сельского хозяйства, учитывающая зональные, экономические и
организационные аспекты. В этих системах основной упор делается на модульность (блочность) технологических операций для всех технологических
процессов.
Анализ существующих технологий и систем машин, применяемых в
лесном хозяйстве, показывает, что формирование системы машин (СМ) не
отвечает принципам системного подхода, а включает только набор конкретных технологических модулей, адаптеров и технических средств для их реа-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
174
лизации. К СМ должны предъявляться технологические требования: непрерывность, параллельность, ритмичность, пропорциональность. Недостатки и
отсутствие отдельных элементов в СМ препятствуют полной механизации
лесохозяйственного производства, а основные параметры СМ ориентируют
проектировщиков на разработку ТС, реализующих экстенсивный путь развития механизации лесного хозяйства. В последние годы наблюдается некоторая стабилизация роста количества номенклатуры машин. При проектировании лесохозяйственного производства сложилась практика, когда в основу
разработки технологии ложатся не почвенно-климатические, лесоводственные, экологические и организационные условия, а новая технология подгоняется под существующие машины, часто зарубежного производства, рассчитанные для эффективной работы в совершенно иных условиях. В 1995 на
государственном уровне были узаконены новые нормативы удельных давлений тракторов и лесозаготовительных машин на почву в зависимости от типа
движителя (160 – 170 кПа для колесных и 50 – 60 кПа для гусеничных тракторов). Ранее лесоводственными требованиями допускалось удельное давление на почву 20 – 50 кПа. На наш взгляд, новые нормативы закрепляют достигнутый машиностроителями и конструкторами средний технический уровень (45 – 65 кПа для гусеничных машин, и 140 – 200 кПа для колесных машин), а не нацеливают разработчиков на повышение технических параметров
машин.
Для конструкторов необходимо располагать системой технологий, в
которой должна быть сформулирована система требований к каждой операции технологического процесса в зависимости от почвенно-климатических,
лесоводственных и экологических условий, допустимый диапазон отклонений от указанных требований, допустимый экологический ущерб от использования СМ. Наличие такой системы и системы базовых машин позволит
конструкторам разрабатывать СМ в виде модульных блоков и осуществить
переход от специализированных машин к комбинированным машинам и
технологиям на основе оптимального набора технологических операций для
выполнения законченного этапа производства, определяемого лесоводственными, климатическими и другими условиями. Перспективным направлением
является разработка технологических адаптеров – набора технологических
операций, сходных по воздействию на предмет труда и учитывающих почвенно-климатические, лесоводственные, экологические, экономические и
другие условия.
В ближайшей перспективе необходимо разработать перечень зон и
подзон механизации лесного хозяйства (по аналогии с сельским хозяйством),
включить в них леса в зоне вечной мерзлоты, которые по площади занимают
более половины территории России, пригородные леса, территории, подвергнувшиеся интенсивному техногенному и антропогенному воздействию, городские зеленые насаждения. Следует обосновать номенклатурный ряд основных технических параметров машин и агрегатов, тип и класс энергопри-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
175
водов и базовых шасси. Создать рубрикатор и классификатор основных элементов лесохозяйственных машин (по аналогии с деталями машин).
При проектировании отдельных видов ТС либо их элементов, разработка по высокотехническим локальным требованиям, вне связи с требованиями к СМ для механизации всего технологического процесса, не может
обеспечить повышение эффективности всего технологического процесса. До
настоящего времени не решены вопросы внедрения СМ как в методологическом, правовом, так и в эколого - экономическом аспектах.
5.2 Принцип стандартизации
Принцип стандартизации используется при конструировании РО и
технологических процессов, для которых они применяются.
Применение стандартизации технологических процессов в лесном хозяйстве предусматривает: 1) уменьшение количества разнообразных машин
для выполнения технологических процессов; 2) стремление к тому, чтобы
получать стандартизованный продукт (семена, посадочный материал и т.п.)
во всех лесохозяйственных предприятиях по одной и той же технологии при
применении одинаковой СМ; 3) использование типовых технологических
процессов с учетом специфики природно-климатических и лесорастительных
условий технологической зоны; 4) сокращение числа типовых технологических процессов с детальной их разбивкой на типовые технологические операции, для которых разрабатываются типовые РО.
В последнее десятилетие система стандартизации претерпела значительные изменения и получила дальнейшее интенсивное развитие. Опубликовано большое число стандартов на продукцию сельского и лесного хозяйства, пищевой промышленности, а также на продукцию переработки древесины. Задел, наработанный по изделиям машиностроения, сохранен в существенной степени и постоянно совершенствуется. Многие стандарты пересматриваются в сторону приближения их требований к международным
стандартам.
Разработан
общероссийский
классификатор
техникоэкономической информации, который отнесен к нормативной документации.
Принят закон «О стандартизации», по которому, технические условия (ТУ)
исключены из перечня нормативной документации и отнесены к конструкторской (ГОСТ 2.114 – 95 Единая система конструкторской документации.
Технические условия). Отличительной концепцией действующей в настоящее время системы стандартизации является то, что устанавливается два вида требований к качеству продукции: обязательные и рекомендательные. Выбор необязательных требований выполняется разработчиком и изготовителем.
Закон РФ «О сертификации продукции и услуг» устанавливает порядок подтверждения соответствия изделия требованиям ГОСТов. По ГОСТ
Р 40.003 – 96 обязательной сертификации подвергается сельскохозяйственная
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
176
техника, к которой предъявляются требования, направленные на обеспечение
безопасности жизнедеятельности, здоровья потребителя, а также на охрану
окружающей среды.
Стандартизация применяется при проектировании всего изделия и его
составных частей. Важнейшим результатом стандартизации должно быть повышение степени соответствия изделия, процессов и услуг их функциональному назначению. Поиск стандартов осуществляется по их указателям. С
широким внедрением ЭВМ в разработку конструкторской документации
возрастает роль стандартизации и унификации. Для РО унификация приводит к рациональному сокращению числа объектов проектирования (размеров,
параметров, геометрических элементов) одинакового назначения. Унифицированная конструкторская документация, созданная на ЭВМ, может повторяться многократно в разрабатываемой конструкции или в других изделиях.
Унификация упрощает процесс конструирования. Характерным принципом
унификации является составление их из конструктивно завершенных унифицированных элементов (модулей), оформленных в виде конструкторской
библиотеки. В таблице 4.2 приведены примеры унифицированных элементов
РО. В РО, схема которого показана на рисунке 1.42, унифицированы измельчающие элементы (ножи) (345 шт.), несущие диски (16 шт.), оси крепления ножей (6 шт.), опоры вала.
При конструировании лесохозяйственных машин часто используют
стандарты, применяемые для сельскохозяйственных машин. Например, размерные конструктивные параметры РО почвенных сельскохозяйственных
фрез стандартизированы.
Расчет достигнутого уровня стандартизации осуществляется по отраслевой инструкции и определяется по следующим показателям: 1) уровень
стандартизации) 2) коэффициент повторяемости деталей; 3) коэффициент
повторяемости узлов.
При проектировании стандартных конструктивных элементов машин
рекомендуется использование баз данных, реализованный в графической
системе КОМПАС-ГРАФИК (АСКОН). В указанной системе имеются многотомные библиотеки стандартных элементов как конструктивных элементов
машин, стандартных изделий, так и элементов и приемов конструирования,
расчетов и оформления конструкторской документации. Прилагаемый справочник материалов КОМПАС предназначен для хранения списков материалов (марки, сортаменты, характеристики) для машиностроения и содержит
(на 2002 год) 690 марок и 140 сортаментов и производителей (поставщиков).
Условные обозначения выбранных из справочника материалов вставляются в
конструкторскую документацию. Программный продукт КОМПАС позволяет соблюдать принцип стандартизации при проектировании. В базе данных
хранятся сведения о последних редакциях стандартов и их изменения и дополнения. Все библиотеки могут редактироваться и дополняться пользователями.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
177
5.3 Конструирование с позиций технологии изготовления
Конструирование всегда предполагает учет требований технологии
изготовления. При производстве РО из определенного количества материала
получают изделия заданной формы, размеров, точности, характера поверхности и внешнего вида. Затраты на производство закладываются при конструировании изделия и зависят от принципа работы (сложность и число деталей), сложности конструкции, числа стандартизованных, унифицированных
и вновь разработанных элементов, числа восстанавливаемых деталей, формы
деталей, характеристик применяемых материалов, положения и форма обрабатываемых поверхностей, точности обработки и т.д. В работе [60] нами
приведена методика оптимизации конструктивных параметров РО по критерию минимальной стоимости изготовления их элементов при ограничениях
по нагруженности. Минимизировались затраты на материалы, механическую
обработку деталей ротора, упрочнение, покрытия. Стоимость затрат принималась пропорциональной массе деталей или площади обрабатываемых поверхностей. В качестве вычислительного аппарата был принят метод геометрического программирования. Ниже в таблице 5.1 перечислены общемашиностроительные конструктивные приемы, позволяющие снизить затраты
на изготовление РО.
Таблица 5.1 – Основные общемашиностроительные приемы
конструирования
Группы
операций
Создание
формы
Основные операции
Литье,
спекание,
прессование
Критерии
конструирования
Учет требований литейной технологии,
учет свойств
материала
Учет особенностей модели и формы
Учет требований очистки
Основные конструктивные приемы
Определение всех взаимосвязей при изготовлении деталей литьем, минимальные габариты,
уменьшение толщины стенки за счет использования жидкотекучести материала,
расчет прочности по толщине стенки с учетом
усадки при охлаждении и возникающих при этом
собственных напряжений и усадочных раковин
Упрощение формы,
задание плоских поверхностей,
упрощение изготовления модели и формы,
уменьшение количества стержней,
задание литейных уклонов для выемки модели и
снижение припусков на обработку
Легкость удаления литника, прилипшего материала, стержней и облоя
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
178
Группы
операций
ОсновКритерии
ные опе- конструиро- Основные конструктивные приемы
рации
вания
Учет условий Снижение допусков на размеры литых деталей,
обработки
задание шероховатости и качества обработки в
зависимости от материала, способа литья, формы
и размеров,
учет свариваемости материала, его деформируемость, учет параметров технологического оборудования, задание достижимой точности изготовления,
задание размеров с учетом параметров оборудования
Изменение Ковка,
Учет требо- Учет ковкости, текучести материала,
формы
гибка,
ваний ковки задание переходов сечений, скругленных со всех
вытяжка,
сторон кромок,
выдавлиучет направления волокон,
вание,
указание положений и размеров обрабатываемых
обтяжка,
поверхностей, ведущих к снижению доли оконпрокатычательной обработки,
вание
удобство крепления детали
Учет требо- Минимизация радиуса гибки, указание развернуваний гибки той длины,
учет деформации кромок и изменений поперечных сечений при гибке,
минимальная ширина полки и расстояния отверстия от кромки изгиба,
учет направлений волокон (направление проката)
РазделеРезание
Учет требо- Учет свойств материала при обработке со снятиние
на рубка,
ваний обра- ем стружки, снижение доли обрабатываемых почасти
резка,
ботки реза- верхностей и увеличение доли необрабатываерезка га- нием
мых поверхностей,
зоплаззадание стандартных элементов (фаски, галтели,
менная
конусы),
задание базовых поверхностей с учетом параметров металлорежущего оборудования,
доступность обрабатываемых поверхностей,
учет жесткости детали при обработке
СоединеСварка
Учет требо- Учет свариваемости материала,
ние
резьбовое ваний сварки учет зависимости между свойствами материала,
соединеспособом сварки и объемом производства,
ние,
доступность к сварному шву,
клепка,
расчет сварных швов с учетом собственных назаливка,
пряжений, деформаций и концентраций напряфальцежений,
вание
задание оптимального направления сварных
швов с учетом влияния на прочность,
использование современных способов соединения (сочетание эпоксидного структурного клея и
заклепок при работе соединения на сдвиг)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
179
Группы
операций
Нанесение
покрытий
Упрочнение
ОсновКритерии
ные опе- конструиро- Основные конструктивные приемы
рации
вания
Учет условий Четкая разбивка изделия на законченные сбосборки
рочные единицы (агрегаты) с учетом требований
взаимозаменяемости, удобства сборки и разборки, задание компенсирующих элементов,
простота замены изнашиваемых деталей, задание
скруглений или фасок сопрягаемых при сборке
элементов,
учет требований эксплуатации и возможности
регулировок
Окраска,
Учет условий Учет адгезионных свойств материала,
гальвано- нанесения
простота нанесения покрытий, задание плоских
покрытие, покрытий
поверхностей, использование закрытых профиосажделей, не требующих покрытий,
ние,
противокоррозионные покрытия, доступность и
напылевидимость защищаемых поверхностей,
ние
разработка специальных крепежных элементов,
предотвращающих повреждения покрытий при
транспортировке
Термооб- Учет требо- Учет свойств структуры материалов, закаливаеработка
ваний термо- мости, задание благоприятной геометрии дета(отжиг,
обработки
лей,
закалка,
учет при расчетах направлений теплопотоков
отпуск,
при нагреве и охлаждении, собственных напрянауглежений, опасности образования трещин, дефорроживамаций, коробления,
ние, азоприменение поверхностных способов закалки,
тироваучет требований последующей обработки (при
ние)
ремонте), задание припусков на обработку
5.4 Облегчение конструкций и снижение расхода материалов
Различают структурную и удельную материалоемкость. Структурная
материалоемкость определяет рациональность заданной номенклатуры материалов, ограниченность использования дорогостоящих материалов, максимальное применение стандартных профилей, рациональное нагружение всех
элементов конструкции.
Удельная материалоемкость (на единицу основного конструктивного
параметра) применяется для сравнения РО одинакового эксплуатационного
назначения, но различного значения основного конструктивного параметра.
Расходы на материалы составляют свыше 50 % затрат на изготовление машин. Более низкий расход материала, отнесенный к главному параметру машины, указывает на качественное конструирование. Масса машины
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
180
и ее агрегатов оказывает существенное влияние на техническое обслуживание изделия и его утилизацию. Применение в последние годы облегченных
конструкций в мобильных лесохозяйственных машинах ведет к снижению
удельных давлений на почву, дорогу, уменьшает потери мощности на передвижение, повышает маневренность. Для стационарных машин снижение
массы ведет к снижению расходов на материалы и изготовление.
Все многочисленные облегчения конструкции достигаются путем
выбора рациональной формы и материалов меньшей плотности или большей
прочности. Оптимальная форма по критериям функционирования и нагрузок обеспечивается за счет точного расчета и анализа нагрузок с учетом характеристик выбранного материала. Выбор ограничивается стоимостью изготовления, эксплуатации и утилизации. Задание высокопрочных и легких материалов ограничивается экономическими соображениями, доступностью и
необходимыми технологиями и оборудованием, а также знанием свойств
данных материалов, которые недостаточно изучены. Снижение затрат за счет
уменьшения массы приводит к уменьшениям расходов на эксплуатацию,
транспортировку, техническое обслуживание и утилизацию. Повышение технического уровня достигается за счет повышения удельных параметров.
Конструктор решает задачу облегчения конструкций как экономическую, но техническими средствами. Способы облегчения конструкций РО
изложены ниже.
5.4.1 Выбор рационального физико-технического
принципа работы
Если неудачно выбран физико-технический принцип взаимодействия
РО с предметом труда, то машиностроительными приемами трудно добиться
повышения эффективности изделия. Целью конструирования является повышение производительности при той же массе РО, или снижение массы при
той же производительности. Немаловажным критерием является снижение
удельной энергоемкости измельчения. Ранее в таблице 4.1 нами приводилась
классификация способов взаимодействия РО с предметом труда. Наибольшее
распространение получили механические принципы. Переход к немеханическим принципам работы РО приведет к облегчению конструкций.
Как мы ранее отмечали [60] (Оптимизация кинематики), увеличение
скорости взаимодействия РО с предметом труда приводит к повышению технического уровня всей машины. У пассивных почвообрабатывающих машин
скорости обработки невелики, а у роторных достигают значений до 10 м/с
(КФП-1,5). РО машин для измельчения кормов обладают скоростью измельчения, превышающей значения 40 м/с («Херсонец – 7»). Максимальная скорость достигнута в РО газонокосилок и достигает значений свыше 100 м/с
(СГК-1). Такая скорость является максимально достижимой по критериям
прочности материала РО. Однако данное значение может быть превышено за
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
181
счет конструктивного приема, реализованного в дезинтеграторе УДА-5 (рисунок 1.34), у которого РО вращаются в разные стороны и имеют индивидуальные приводы. Переход от сегментных срезающих устройств к роторному
режущему аппарату приводит к повышению технического уровня и снижению массы изделия.
При обосновании принципа взаимодействия следует учитывать свойства измельчаемого материала и назначать принципы, при которых взаимодействие будет осуществляться в направлении меньшей прочности.
В сельскохозяйственном машиностроении наблюдается тенденция
перехода от механических приводов РО к гидравлическим, от ступенчатых
коробок передач для регулирования частоты вращения РО к гидромеханическим вариаторам. Наметился переход от общего привода рабочих органов к
встроенным двигателям для привода отдельных агрегатов либо для каждого
РО [ОДЗ-3,0 (рисунок 1.28)].
Использование устройств для ограничении нагрузки и перегрузок
(предохранительные устройства) [68] позволяет рассчитывать элементы машин с меньшим коэффициентом запаса прочности.
5.4.2 Обеспечение минимальных габаритов
Расположение элементов РО с учетом минимизации для них пространства дает возможность уменьшить габариты изделия. Это ведет к
уменьшению расхода материала на кожух, к укорачиванию путей передачи
усилий и энергии к РО, снижает расход материала на несущие конструкции.
В лесных и сельскохозяйственных машинах опоры РО устанавливаются по двум основным схемам: на раме и в корпусе (рисунок 5.1).
Установка опор РО в кожухе (корпусе) ведет к снижению расхода материалов, но предъявляет повышенные требования к жесткости конструкции
и компенсаторам для опор. В случае использования рам с балками, работающими на изгиб и имеющими постоянные поперечные сечения, при большой длине передачи усилий ведет к увеличению расхода материалов. Следует стремиться к уменьшению длины валов, так как большая длина передачи
крутящего момента приводит к более высоким деформациям, к снижению
упругости и уменьшению собственных частот колебаний. Отказ от несущих
дисков для закрепления ИЭ на РО ведет к снижению массы (рисунок 1.26).
5.4.3 Выбор статических несущих конструкций
В конструкциях лесохозяйственных машин, предназначенных для измельчения древесно-растительных материалов, учитывая длинные пути передачи материала между отдельными функциональными группами РО, используется рассредоточенная компоновка узлов и установка многоножевых
режущих аппаратов.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
182
В гидроприводах наблюдается увеличение рабочего давления с 10 до
32 МПа. При конструировании кожухов и других корпусных элементов
стремятся минимизировать площади и задавать оптимальные геометрические
формы. Например, при одинаковых объемах площади поверхностей призмы,
цилиндра или шара относятся как 1,24: 1,17: 1.
Óñòàíîâêà ÐÎ íà ðàìå
Óñòàíîâêà ÐÎ â êîæóõå
Рисунок 5.1 – Схемы установки опор РО
Зазор между РО и кожухом минимизируется и ограничивается только опасностью забивания измельчаемого материала и нарушением непрерывности потока. Рациональной следует признать конструкции с вертикальными
роторами, которая позволяет устанавливать большое количество РО [КФВ3,6 (рисунок 1.12)]. РО получают вращение от трансмиссионного вала через
зубчатые передачи. Общий вал служит несущей конструкцией для подвески
роторов с кожухом. На рисунке 5.2 показана конструкция машины с установкой РО на раме, изготовленной из швеллеров. Такую несущую конструкцию
вряд ли можно назвать оптимальной.
На несущие конструкции в лесохозяйственных машинах приходится
значительная доля материалов, идущих на изготовление всей машины. При
конструировании несущих конструкций типа рамы, фермы, балки или стенки стремятся задавать статически определимые системы. При увеличении
степени неопределенности возрастает сложность расчетов и снижается их
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
183
точность.
Ðàìà
Ïðèâîä
'~'.
Îïîðà Êîæóõ
0
::~:
0
~,
Ðàáî÷èé îðãàí
Рисунок 5.2 – Установка РО на раме машины
Несущие конструкции проектируют таким образом, чтобы ее элементы работали на растяжение или сжатие. При работе конструкции на растяжение используются все ее прочностные свойства. При работе стержней на
сжатие применение высокопрочных материалов не оправдано, поскольку потеря устойчивости наблюдается до достижения напряжений предела текучести. На сжатие хорошо работают тонкостенные трубы круглого или прямоугольного сечения, которые часто связывают в пучки. Поскольку положения
РО в машине задано функциональной схемой, то при проектировании ферм,
точное диагональное положение стержней с точной ориентацией узлов задавать не удается. Использование ферм в качестве несущих конструкций наиболее распространено в стационарных машинах. Для мобильных машин использование ферм рациональной конструкции ограничено прежде всего требованиями минимальных габаритов.
Применение рамных конструкций упрощает технологию изготовления. Рамные элементы, как правило, нагружаются поперечными и продольными силами, изгибающими или крутящими моментами, которые вызывают
в них сложное напряженное состояние. При расчетах рамных конструкций
учитывают не только напряжения, но и возникающие упругие деформации. т
Последние могут нарушать работоспособность машины (например, погреш-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
184
ность положений или зазора между РО и корпусом), ведут к усложнению
конструкции (например, установка самоустанавливающихся подшипниковых
узлов, или требующих регулировок) или требуют регулировочных подкладок
под опоры.
5.4.4 Совмещение функций элементов конструкции
Суть данного принципа заключается в том, что отдельные элементы
изделия выполняют различные функции: элементы РО, участвующие в процессе измельчения предмета труда, могут одновременно использоваться для
восприятия и передачи усилий в качестве предохранительных устройств или
в качестве корпуса. И наоборот, несущие элементы могут участвовать в измельчении предмета труда. Данный принцип реализуется при проектировании машины. В качестве примеров реализации данного принципа можно назвать: отказ от рам в машинах за счет несущих конструкций корпусов и кузовов; установку полурам и несущих конструкций в тракторах; использование
в качестве несущего основания кожухов РО и рекаттеров; отказ от сквозного
вала в РО барабанного типа с несущей обечайкой; использования вала в качестве несущего элемента; применение несущих дисков в качестве маховиков; использование в качестве несущих конструкций емкостей, ресиверов топливных баков. На рисунке 5.1 в нижней части показана конструкция РО, в
которой совмещены функции несущей конструкции (корпус) и рабочей камеры.
5.4.5 Распределение нагрузок по величине,
направлению и частоте
Научной основой вышеизложенных принципов конструирования является теория конструкционных материалов и механика машин. При их применении учитываются основные свойства материалов (упругость, пластичность, усталостные характеристики, износ).
Напряжения в материале вызываются нагрузками и собственными
напряжениями (например, при обработке детали). Собственные напряжения
учесть затруднительно. При проектировании облегченных конструкций необходимо точное знание нагрузок. Под расчетной нагрузкой часто понимают
совокупность случаев нагружения, которые ложатся в основу для определения размеров деталей и изделия. В лесохозяйственных машинах в зависимости от источника все нагрузки классифицируют: 1. Статические нагрузки в
опорах, обусловленные массой РО; 2. Рабочие сопротивления, в качестве которых часто выступают внешние (например, сопротивления измельчению)
воздействия на машину или внутренние (например, сила резания на ноже измельчающего аппарата), действующие в машине силы; 3. Сопротивления
трению и качению, возникающие в подвижных элементах РО; 4. Силы инерции, появляющиеся в силу неравномерности вращения или неуравновешен-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
185
ности; 5. Силы сопротивления воздуха и сопротивления на отбрасывание измельченных частичек.
В зависимости изменения во времени различают нагрузки статические и динамические. Если величины, направления или точки приложения
сил практически не меняются во времени, то такие нагрузки относят к постоянным. В противном случае – к переменным. Динамические нагрузки подразделяются по величине на средние (σm), верхние (σmax), нижние (σmin) и
амплитудные (σа), а также на колебательные. В таблице 5.2 дана попытка
классификации нагрузок и методов их расчета. При расчетах динамических
нагрузок силами инерции не пренебрегают. Знакопеременная нагрузка изменяется по значению и по знаку. Пульсирующая нагрузка изменяется в пределах одинакового знака. Катящаяся нагрузка характеризуется системой постоянных по величине и направлению сил, точка приложения которых перемещается относительно заданного тела. При проектировании лесных машин
часто нагрузки делят по характеру приложения на: 1) сосредоточенную нагрузку, представляемую в виде одной активной силы; 2) распределенную нагрузку, у которой точка приложения сил образует заданный отрезок или поверхность. Характер нагрузок определяет параметры прочности материала,
которые принимаются для расчетов.
При проектировании конструкции РО определяют фактические нагрузки по их величинам, направлению и частотам. Нагрузки могут определяться различными способами:
1. Теоретическим способом (расчет статических сил, вызванных силами тяжести элементов РО; расчет рабочих сопротивлений, возникающих
при взаимодействии РО с предметом труда; расчет сил трения и сил сопротивления качению; расчет сил инерции). Нагрузки получают на базе теоретико-экспериментального анализа рабочих процессов, либо на основе измерений. Эти нагрузки относятся к средним значениям для процесса и используются для расчета привода РО. Наличие труднообрабатываемых включений в
материале учитывают с помощью коэффициента ударной нагрузки. В расчетных случаях, когда определение максимальных нагрузок недоступно либо
в случае неконтролируемости, превышение предельных допустимых нагрузок предотвращается с помощью установки в систему предохранительных
устройств. При расчетах динамических нагрузок учитывают колебательные
процессы. Силы инерции деталей, а также возникающие ускорения определяют по кинематическим схемам.
2. Пересчет известных нагрузок и заимствование из литературных источников. Используются методы экстраполяции. Рассчитанные нагрузки проверяются на новом образце.
3. Экспериментальное определение нагрузок на ранних стадиях проектирования с помощью моделей, макетов и опытных образцов узлов и машин. Нагрузки определяются в режиме эксплуатации изделия.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
186
Экстремальные нагрузки, найденные при испытаниях экстраполяцией
распределения частоты появления пиков, используются при статических расчетах. Следует также учитывать нагрузки, возникающие при сборке, перегрузке и транспортировании изделия.
Нагрузки в РО накладываются друг на друга, причем может наблюдаться сдвиг и по времени и по фазам воздействия. Обычные методы сопротивления материалов (расчет ферм, рам, балок, оболочек и пластин) при расчетах конструкций лесохозяйственных машин вследствие большого числа
действующих силовых факторов могут быть оптимально с требуемой точностью рассчитаны только на ЭВМ. В настоящее время для таких расчетов разработаны программы: Ansys (ANSYS, Inc.); MSC/Nastran (MacNealSchwendler
Software); Cosmos/Works (Structural Research & Analysis, Inc.); семейство программ ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems) и др., которые используют метод конечных элементов для расчета конструкций [128].
Указанные программные средства позволяют автоматизировать процесс исследования механики машин при воздействии статических, динамических
объемных и узловых нагрузок, а также при термическом воздействии. Для
моделирования нестационарных динамических процессов нелинейные нагрузки задаются в виде таблиц, произведения двух переменных либо положительной или отрицательной степени переменной.
Моделирование реальной конструкции машины на ЭВМ позволяет
решат важный класс задач динамики – исследование колебаний конструкции
при периодически изменяющихся нагрузках. Даже непериодические воздействия могут приводить к появлению критических режимов работы с динамической неустойчивостью, автоколебаниями, параметрическими и другими
видами колебаний. С позиций обеспечения работоспособности РО конечная
цель динамических расчетов – анализ поведения конструкции и синтез параметров проектирования, при которых минимизируются или ограничиваются
последствия динамических воздействий (устранение пиковых напряжений от
нестационарного или ударного воздействия, снижение амплитуды циклов
напряжений, ограничение амплитуд колебаний и ускорений в заданном диапазоне частот, обеспечение устойчивости режимов работы). Математической
основой систем моделирования являются матричные преобразования. Для
модели задаются матрицы масс реальной конструкции; матрицы коэффициентов сил вязкого демпфирования (пропорциональных скоростям смещений),
матрицы жесткости и вектор сил, являющихся функцией времени. Конструктор сам может задавать метод исследований и решения уравнений (прямой переходный анализ, модальный переходный анализ, прямой и модальный частотный анализ).
Пока такие программы доступны ограниченно. Однако конструктор
всегда может рассчитать опасные места конструкции. Точные методы расчетов нагрузок в каждой точке конструкции позволяют выбирать для ее изготовления тонкостенные профили.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
187
Таблица 5.2 – Типизация нагрузок в лесохозяйственных машинах
Âðåìÿ
Случай
нагружения
Коэффициент
напряжений
для конструкций
k=σa/σmax =
1
Стохастическая
нагрузка)
7
6
σm
σmax
5
σm
σa
4
σmin = σa = σmax
σm =0
à)ñòàòè÷åñêàÿ á)äèíàìè÷åñêàÿ
1-2
2
3
Совокупность
нагрузок
а) 1
б) 1 - 3
σ=f(lgn)
σmax
Коэффициент ударной нагрузки
k = +1,0
1>k>0
k=0
k = -1,0
(2σm /σmax)
-1
Коэффициент
напряжений
для РО
k=σm/σmax =
Удар
статический и
динамический
σm
Симметричный
цикл нагружения
σa
σmax=2 σa
σm
σmin =0
σm
σmax
σ=f(t)
T=f(t)
Пульсирующая
нагрузка
3
2
σa σa
1
Знакопостоянная
нагрузка
σmin
Статическая
(постоянная)
нагрузка
σmax =σmin =σm
Íàïðÿæåíèÿ
Случай нагружения
k = σmax/σm
(1,5 – 3,0)
+1,0
1 > σm/σmax >
0,5
+0,5
σm
0
lgn
n- ÷èñëî öèêëîâ
íàãðóçêè
0
(1+k)/2
Типичные
примеры
Реакции в опо- Нагрузки от нерах от сил тяже- уравновешенности
сти
Нагрузки от при- Нагружения цапф
водов, трение
валов
Стопорение роторов (встреча с
камнем), включение
Рабочие сопротивления
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
188
5.5 Выбор оптимальных форм поперечных сечений на основе
найденных напряжений
Форму задают на основе видов нагружения и требований к прочности
и жесткости конструкции. Оптимизация по критерию прочности заключается в расчете такого поперечного сечения и использовании прочностных
свойств материала, при котором при минимуме расхода материала обеспечивается работоспособность конструкции в течение срока службы либо при
определенной наработке. Часто учитывают изменения за время эксплуатации свойств материалов (усталость, старение) и размеров сечений (износ,
коррозия). В справочнике [Расчет на прочность деталей машин: Справочник/И.А. Биргер, Б.Ф. Шор, Г.Б. Иоселевич. - М,: Машиностроение, 1979. –
310 с.] приводятся основные правила конструирования облегченных конструкций:
Для рам
1. Применение тонкостенных и гнутых профилей. Данный принцип
допускается применять при точном расчете действующих на конструкцию
нагрузок. На рисунке 5.3 показана тенденция развития данного принципа при
проектировании рам. Замена уголков горячекатаных (ГОСТ 8509-93, 8510-85)
на уголки холодногнутые (ГОСТ 19771-93, 19772-74) дает облегчение конструкции на 25 % [129];
Øâåëëåð ÃÎÑÒ 8240-89 Øâåëëåð ÃÎÑÒ 8278-83
Ïðîôèëü ñâàðíîé ÒÓ 36-2287-80
Рисунок 5.3 – Тенденции развития облегченных профилей для рам
2. Использование профилей с высокими стенками для конструкций,
работающих на изгиб в одной плоскости. Для таких режимов нагружения
подходят П-образные, Z-образные,
U-образные, Г-образные, период и
двутавровые профили. На рисунке 5.4 показана тенденция развития профилей сечений для рам, работающих на изгиб в одной плоскости. Для открытых
профилей момент инерции и сопротивления на кручение в десятки раз меньше их значений по оси х. Такие профили рекомендуется применять для элементов рам, работающих только на изгиб;
3. Использование коробчатых профилей для сечений рам, работаю-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
189
щих на изгиб в двух плоскостях. Такой профиль эффективен даже в случае
наложения дополнительного крутящего момента;
4. Для элементов рам, работающих на скручивающие нагрузки, используют закрытые профили. Для закрытых профилей моменты инерции сечения и моменты сопротивления являются величинами одного порядка. Это
позволяет использовать такие профили в конструкциях рам, одинаково работающих как на изгиб, так и на кручение. Толщина стенок для холодногнутых
сварных профилей составляет от 2 до 10 мм, а габариты – от 20 х 20 до 250 х
250 мм.
Äâóòàâð ñ ïàðàëëåëüíûìè
ãðàíÿìè ÃÎÑÒ 26020-83
Á àë ê à ä âó õò àâ ðî â àÿ
ÃÎÑÒ 8232-89
Øâåëëåð îáëåã÷åííûé Òðóáà ïðÿìîóãîëüíàÿ
ÃÎÑÒ 6185-88
ÃÎÑÒ 8645-68
Рисунок 5.4 – Тенденция развития профилей для рам
Использование облегченных профилей и тонколистового материала
может приводить к выпучиванию, опрокидыванию, продольному изгибу или
к изменению поперечного сечения. Для предотвращения подобных явлений
следует стремиться к тому, чтобы точка приложения изгибающего усилия
точно совпадала с центром тяжести сечения. Открытые профили обычно
усиливают ребрами жесткости.
В рамах лесохозяйственных машин часто встречаются места приложения и изменения направления нагрузок, в которых возможна концентрация
напряжений. Для уменьшения подобного явления используют следующие
конструктивные приемы: 1) распределение усилий по возможно большей
площади конструкции; 2) для тонкостенных конструкций силы должны действовать в плоскости стенки, но перпендикулярно ей; 3) для конструкций,
работающих с динамическими нагрузками, следует избегать резких перепадов размеров и форм поперечных сечений, а также жесткостей; 4) сварные
швы располагают в тех местах конструкции, где меньшие напряжения.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
190
Наиболее рациональными сварными соединениями для рам являются
кольцевые и рельефноточечные швы, выполненные машинной электродуговой сваркой в среде углекислого газа. Иногда рамы подвергают термоупрочнению и наклепу дробью.
Для конструкций, к которым предъявляются жесткие требования по
массе, применяются двутавры из алюминиевых сплавов (ГОСТ 8617-81) максимального размера 50 х 50 х 2.5 мм, швеллеры (ГОСТ 8617-81) максимального размера 40х80х4 мм и уголки.
Для валов
1. Применение калиброванных круглых (ГОСТ 2590-75), квадратных
(ГОСТ 2591-88) и шестигранных (ГОСТ 8560-78) профилей, изготовленных
методом волочения или горячекатаных, позволяет исключить механическую
обработку валов и значительно повысить их статическую и усталостную
прочность;
2. Замена сплошных профилей полыми. На рисунке 5.5 показана тенденция развития профилей, с равными моментами сопротивления на кручения, используемые для валов. Использование таких профилей позволяет
уменьшить массу вала на 45 % [124]. При отношении внутреннего диаметра
полого вала к наружному диаметру, равному 0,9, моменты сопротивления и
инерции полого профиля возрастают соответственно в 4, 5 и 10 раз. Масса
валов уменьшается при использовании стандартных конструктивных элементов: галтели, скосы, плавные переходы. Использование фланцевого крепления опор валов уменьшает массу опор.
Примеры конструктивного воплощения пустотелых валов для РО
показаны на рисунках 1.24 – 1.27. Пустотелые валы получили распространение в рабочих органах с шарнирным креплением измельчающих элементов к
ротору. Проушины шарниров крепления привариваются непосредственно к
трубчатому валу. Перспективным является использование для конструирования валов труб круглых из титановых сплавов ПТ7М ГОСТ 19807-91 с максимальным размером 102 х 5 мм по ОСТ 1.90050-72 и ГОСТ 22897-86. Сварка титановых сплавов осуществляется проволокой титановой сварочной
ГОСТ 27265-87.
Валы квадратного сечения удобны для монтажа и закрепления на них
несущих дисков и элементов привода. Анализ конструктивных решений показывает, что пустотелые валы используются в тех случаях, когда их длина
превышает 1000 мм.
Комбинированные валы из труб и концевых вставок используются в
измельчителях кормоуборочных машин и комбайнах. Концевые вставки располагаются в местах установки валов на опорах. Для сельскохозяйственных
машин диаметры валов регламентируются ГОСТ 2089-78. Максимальный
размер установлен в 100 мм. Все конструктивные элементы валов стандартизованы.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
191
Для кожухов:
1. Использование тонколистового проката. Замена толстого горячекатаного листа (ГОСТ 19903-74) листом тонким холоднокатаным (ГОСТ 1990490) дает существенное облегчение конструкции;
2. Применение листов тонких холоднокатаных оцинкованных (ГОСТ
19904-90) и полосы холоднокатаной (ГОСТ 103-76) повышает защитные
свойства кожухов;
Êðóã ãîðÿ÷åêàòàííûé
ÃÎÑÒ 2591-88
Òðóáà áåñøîâíàÿ
Òðóáà áåñøîâíàÿ
ãîðÿ÷åäåôîðìèðîâàííàÿ õîëîäíî è òåðìîäåôîðìèðîâàííàÿ
ÃÎÑÒ 8734-87
ÃÎÑÒ 8732-78
Êâàäðàò ãîðÿ÷åêàòàííûé
ÃÎÑÒ 2591-88
Òðóáà áåñøîâíàÿ
êâàäðàòíàÿ ÃÎÑÒ 8639-82
Òðóáà áåñøîâíàÿ
ïðÿìîóãîëüíàÿ
ÃÎÑÒ 8645-68
Òðóáà áåñøîâíàÿ
õîëîäíîäåôîðìèðóåìàÿ
ÃÎÑÒ 9941-81
Òðóáà áåñøîâíàÿ
îñîáîòîíêîñòåííàÿ
ÃÎÑÒ 10498-82
Òðóáà òðåóãîëüíàÿ
ÃÎÑÒ
Рисунок 5.5 – Тенденции развития профилей для валов
3. Выбор для кожуха лент холоднокатаных из углеродистых конструкционных сталей (ГОСТ 2284-79) и из низколегированных сталей (ГОСТ
503-81) позволяет конструировать кожухи оптимальной формы. Используется также лента холоднокатаная коррозиестойкая (ГОСТ 4986-79);
4. Для повышения жесткости кожухов, в случае установки опор РО на
фланцевом креплении, применяют листы рифленые, профилированные и
гофрированные;
5. Выполнение ненагруженных конструкций из сетки тканой стальной ГОСТ 3826-82 в тех местах кожухов, где необходимо регулирование
воздушного потока;
6. Выполнение конструктивно кожухов в виде жесткого каркаса с
обшивкой листовым материалом.
Использование современных марок сталей, рационально сочетающих
в себе прочностные, вязкопластичные и усталостные свойства, допускает малые радиусы изгиба, что позволяет выбирать более рациональные конструктивные формы кожухов.
Каркас обычно располагается снаружи. Соединение каркаса с кожухом чаще всего выполняют следующим образом: 1) потайными заклепками.
В последнее время обычные заклепки вытесняются заклепками для безудар-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
192
ной клепки (Avdelok), которые обжимаются по кольцу пневматическим инструментом; 2) точечной сваркой с последующим цинковым покрытием. При
сборке кожухов РО часто промежуточные панели соединяют с каркасом с
предварительным натяжением, что устраняет коробление; 3) армирующий
каркас располагается внутри кожуха, который выполняется двойным. Такие
конструкции имеют значительную жесткость при относительно небольшой
массе.
Применение тонкостенных конструкций может приводить к деформациям (депланации), поэтому такие конструкции, как правило, требуют усиления. Расчет кожухов выполняется на основе теории безмоментных и моментных оболочек. Преимущества оболочек как конструктивных элементов
полностью реализуются в том случае, когда их стенка работает на растяжение (сжатие).
При конструировании кожухов, выполненных по цилиндрической
форме из тонкостенного материала, стремятся выполнить следующие правила: 1) форма кожуха должна быть плавной без резкого изменения радиуса
кривизны; 2) закрепленные края кожуха не должны приводить к появлению
реактивных сил; 3) распределение нагрузки по кожуху должно быть равномерным или плавноменяющимся; 4) места сопряжения днища кожуха и боковин при соединении сваркой выполняют встык.
Основные типоразмеры сортаментов для изготовления РО приведены
в приложении А
5.6 Выбор материалов
При выборе марки материала конструктор учитывает функциональные требования, выполняемые машиной и условия обеспечения прочности.
Необходимо также учитывать требования технологии изготовления. Выбор
материала, способа его обработки с учетом технических и экономических
условий – единая задача при конструировании. Конструируя РО, кроме знания основных характеристик материала (химическая стойкость, относительное удлинение, плотность, упругость, коэффициенты трения, твердость,
электропроводность, теплопроводность, температура плавления, тепловые
расширения), необходимо знать свойства, связанные с технологией изготовления (жидкотекучесть, сцепление с покрытием, свариваемость, прокатываемость, способность к глубокой вытяжке, обрабатываемость резанием).
При выборе материалов следует максимально сократить их ассортимент, а при изготовлении деталей стремятся к применению операций, обеспечивающих экономию материалов. Между затратами на материалы и их
массой существует линейная зависимость. Однако уменьшение массы связано с применением более высококачественных (более дорогостоящих или
труднообрабатываемых) материалов. Минимум затрат на изготовление оп-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
193
ределяется прежде всего затратами на материалы, хотя минимум затрат на
изготовление еще может быть не достигнут.
В настоящее время конструктор располагает большой номенклатурой
материалов. Стоимость материалов (сырья) в стоимости машины увеличивается большими темпами, чем стоимость остальных статей расходов (например, энергия и заработная плата). Стоимость затрат на обработку в связи с
ростом автоматизации и механизации производства на основе новых технологий постоянно снижается. В связи с этим снижение удельного расхода материала (затраты на материалы и их масса) является актуальной проблемой.
Анализ показывает, что очень разнообразные требования, предъявляемые к материалу, не могут быть одновременно удовлетворены в полном
объеме. Оптимальное по экономическим критериям конструктивное решение
может быть получено только компромиссным путем. Например, применение
более прочного материала часто связано с затратами на новое оборудование
и новые технологии. Часто имеющееся устаревшее оборудование требует от
конструктора выбора только материалов с определенными свойствами. Основная задача конструктора заключается в том, чтобы выбрать такой материал, у которого бы было максимально использовано число его полезных
свойств, особенно прочностных и технологических.
В последнее десятилетие появилось большое число новых стандартов
на стали, цветные металлы, сплавы на их основе, полимеры. Однако стали
остаются основными материалами в сельскохозяйственном машиностроении.
При использовании высокопрочных, улучшенных и цементируемых сталей
следует принимать во внимание следующие обстоятельства: 1) максимально
прочностные свойства реализуются при нагрузках с невысоким коэффициентом динамичности. При возрастании коэффициента увеличивается влияние
на прочность микротрещин в материале, в результате чего расчетное напряжение возрастает незначительно; 2) высокая прочность позволяет задавать
сечения с меньшей толщиной стенок, что приводит к уменьшению жесткости. В данном случае является актуальной проблема увеличения жесткости
сечений конструкции за счет ее формы; 3) высокопрочные стали предъявляют более высокие требования к способам обработки и к свариваемости.
Тенденции развития лесных машин (увеличение энергонасыщенности, скоростей рабочих процессов, производительности и мобильности), а
также особенности эксплуатации (низкие температуры, запыленность, повышенный абразивный износ) указывают на то, что использование сталей общего назначения и обычного качества (ГОСТ 380-94) не в состоянии удовлетворить требованиям надежности и металлоемкости. Необходимость сохранения равнопрочности для разнонагруженных элементов конструкции приводит к перерасходу материалов.
При выборе нержавеющих сталей учитывают ее высокую стоимость и
применяют в следующих конструктивных элементах: 1) детали и узлы, наблюдение за которыми в процессе эксплуатации затруднено; 2) тонкостенные
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
194
конструктивные элементы, состояние которых можно проверить только при
техническом обслуживании и доступ к которым затруднен; 3) элементы стационарных машин, которые постоянно подвержены атмосферным воздействиям; 4) элементы большой площади, испытывающие распределенную нагрузку, особенно скользящего действия (например, внутренняя часть кожухов и реккатеров); 5) несущие, сильнонагруженные конструкции, поверхность которых подвергается воздействию агрессивной среды.
При выборе материалов проводится технико-экономический и технологический анализ по различным вариантам. Оптимальным вариантом будет
вариант конструкции, обладающий меньшим расходом материала (по массе и
стоимости).
5.6.1 Несущие конструкции
На несущие конструкции устанавливаются РО, и они воспринимают
значительные нагрузки. Анализ показывает, что в лесном, сельскохозяйственном машиностроении, а также в машиностроении для дорожного строительства при изготовлении несущих конструкций машин полностью осуществлен переход на качественные стали (ГОСТ 1050-88), стали для сварных
конструкций (ГОСТ 19282 ) и стали легированные (ГОСТ 4543-71). Низколегированные стали при небольшом содержании легирующих элементов обладают достаточным пределом текучести и пониженной склонностью к старению, свариваемостью без ограничений. Применение низколегированных
сталей марок 09Г2, 09Г2С, 10Г2Б (ГОСТ 19282) позволяет уменьшить массу
нагруженных элементов конструкции и снизить расход материалов на 15 –
20 %. Для рамных несущих конструкций применяются стали, основные
марки которых приведены в таблице 5.3.
Таблица 5.3 – Основные марки сталей, применяемые для
изготовления рамных несущих конструкций
Марка стали
08кп, 08пс, 08Фпс
ГОСТ 1050-88
15кп, 15, 15пс
ГОСТ 1050-88
20кп, 20
ГОСТ 1050-88
25кп, 25, 25пс
ГОСТ 1050-88
35
ГОСТ 1050-88
09Г2
ГОСТ 19282
σт не менее, МПа
200
σв не менее, МПа
330
δ,%
33
Малонагруженные рамы, ХС, ХШ
230
380
27
250
420
25
280
460
23
320
540
20
Рамы сложной формы при вибрационной нагрузке, ХС, ХШ
Усилители рам, косынки, поперечины, ХС, ХШ
Продольные и поперечные балки
рам, ХС
Рамы из прямоугольных труб, УС
310
450
21
Примечание
Поперечины рам, усилители.
кронштейны, УШ, ХС
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
195
Марка стали
σт не менее, МПа
780
σв не менее, МПа
930
δ,%
Примечание
Высокопрочные рамные конструкции, закаливаемые, ХС
250
430
22
Конструкций, работающие при
низких температурах, ХС
Поперечины рам, усилители.
1080
1130
15
кронштейны, закаливается, УШ,
ХС
10ХСНД
400
540
19
Продольные балки рам, усилители,
ГОСТ 5632-72
кронштейны, УШ, ХС
15ХСНД
Продольные балки рам, усилители,
350
500
21
ГОСТ 4543-71
кронштейны, коррозиостойкие
УШ, ХС
12Г2АФ
Поперечные балки рам при дина400
500
22ГОСТ 19282
23
мических нагрузках, УШ, ХС
17Г2АФ
Продольные балки рам при дина500
600
20
ГОСТ 19282
мических нагрузках, УШ, ХС
16Г2САФ
480
610
26Поперечные и продольные балки
ГОСТ 19282
28
рам при динамических нагрузках,
УШ, ХС
12ГНЗМФАЮДР
700
820
12- Особонагруженные сварные рамы,
ГОСТ 5632-72
14
усилители, кронштейны
Примечание: ХС – хорошая свариваемость без ограничений; ХШ – хорошая штампуемость; УС – удовлетворительная свариваемость; УШ – удовлетворительная штампуемость.
09Г2С
ГОСТ 19282
10Г2Б
ГОСТ 19282
12ГС
ГОСТ 19282
12
Перспективным направлением в сельскохозяйственном машиностроении является изготовление несущих конструкций из сталей марок Ч-33
и Ч-37 [Комплекс свойств низколегированной стали Ч-33/В.М. Смирнов и др.
// Тракторы и сельхозмашины. - 1988. - № 10 . - С. 24 – 27] с контролируемой
прокаткой, контролем формы и распределения неметаллических включений
в структуре стали. Данные стали имеют преимущества по сравнению с качественными сталями (ГОСТ 1050-88) и низколегированными сталями (ГОСТ
19282) за счет добавок титана, алюминия, ванадия и повышенного содержания марганца. Основные преимущества: 1) более рациональное сочетание
прочностных, вязкопластичных и усталостных свойств в исходном состоянии
при хорошей свариваемости, позволяющее использовать данные стали для
конструкций, работающих при ударных нагрузках; 2) высокая технологическая прочность сварных соединений (выше в 1,5 раза); 3) высокая пластичность позволяет задавать малые радиусы изгиба при холодном деформировании (таблицы 5.4 и 5.5). До настоящего времени вышеназванные стали в
нормативных документах не представлены.
Анализ данных, приведенных в таблице 5.5, показывает, что разрушение сварных образцов при статическом напряженном состоянии происходит по основному металлу.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
196
Таблица 5.4 –
Марка стали
Ст3сп
ГОСТ 380 -94
09Г2
ГОСТ 19282
Ч-33
Ч-37
Механические свойства сталей
Временное Предел текуче- Относисопротивлести,
тельное
ние,
σт не менее, удлинение
МПа
σв не менее,
δ,%
МПа
380
250
26
450
310
21
430
470
330
370
26
24
Ударная
вязкость,
мДж/м2,
(при –200С)
0,40
0,35
(при – 40 0С)
0,40
0,40
Диаметр
оправки
при холодном изгибе
на 180 0
1,5а
2,0а
а
а
а – толщина листа
Анализ данных таблицы 5.4 показывает, что использование сталей
Ч-33 и Ч-37 позволит уменьшить расход материала для несущих конструкций.
Таблица 5.5 –
Марка стали
Ст3сп
ГОСТ 380 -94
Ч-33
15ГФ
Механические свойства сварных соединений
(толщина - 6 мм, сварка в среде углекислого газа,
соединение стыковое без разделки,
погонная энергия сварки - 8,14 кДж/см)
σв не
менее,
МПа
σт не менее, МПа
δ,%
Угол загиба, рад
430
260
23
2π
500
520
360
380
21
21
2π
Ударная вязкость,
KCT, мДж/м2
по шву
по линии
сплавления
0,80
1,0
0,70
0,40
В особых случаях при жестких ограничениях на массу несущих конструкций элементы рам могут изготовляться из легких высокопрочных термообработанных сплавов и неметаллических композитных материалов. Например, применение алюминиевого сплава с пределом текучести 320 – 460
МПа при обеспечении необходимой прочности и жесткости позволяет снизить массу несущих конструкций на 20 %. Данные материалы обладают отличной и хорошей свариваемостью. В лесохозяйственных машинах указанные материалы распространены ограничено. В приложении приведены параметры деформируемых алюминиевых и титановых сплавов, применяемых
для изготовления сварных несущих конструкций.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
197
5.6.2 Кожухи
Кожухи в основном изготовляют из листового стального материала.
Основными способами соединения являются сварка и клепка. Кожух может
выполнять две функции: 1) в качестве рабочей камеры, в которой происходит
измельчение предмета труда; 2) в качестве несущей конструкции, на которой
устанавливаются опоры РО. Выполнение данных функций накладывает требования на выбираемый материал. С одной стороны, кожух должен обладать
достаточной жесткостью и прочностью, а с другой, – противостоять воздействию измельчаемого материала, вызывающему износ внутренней поверхности. Взаимодействие РО и предмета труда дополнительно нагружает кожух,
деформация которого вследствие малого зазора между концами измельчающих элементов и стенкой может привести к нарушению работоспособности и
к аварийному отказу. В ряде конструкций РО имеет место дополнительные
нагрузки на валы и опоры в результате нерационального выбора привода
(приводы ременные и цепные). Такая схема наблюдается в конструкции рассмотренного ранее отделителя древесной зелени ОДЗ-3,0 (рисунок 1.28). По
данной схеме кожух дополнительно нагружается силой, возникающей в приводе и приводящей к деформациям. Для избежания заклинивания следует
увеличивать жесткость кожуха, что ведет к увеличению расхода материала.
Привод РО от соосноустановленного с валом автономного привода или от
карданного вала устраняет данный конструктивный недостаток. В таблице
5.6 приведены характеристики основных материалов для изготовления кожухов.
Использование легированных сталей при агрессивном или коррозирующем воздействии измельчаемого материала приводит к снижению расхода материала. При измельчении почвы и других абразивных материалов используют износостойкие материалы. Применение цветных металлов должно
быть технически и экономически обосновано. В последние годы расширяется
применение биметалла, например, кожухи изготовляют из коррозионностойкой стали малой толщины, но при усилении снаружи конструкционной
сталью. Реккатеры изготовляют из износостойких материалов, обладающих
большой жесткостью.
Большие перспективы имеет тенденция использования пластмасс для
изготовления кожухов и деталей РО. Поставляются в виде листов, например:
стекло органическое листовое ГОСТ 10667-90; текстолит и стеклотекстолит
конструкционный ГОСТ 5-78, ГОСТ 10292-74. полиэфирные смолы имеют в
зависимости от марки: плотность ρ = 1,03 – 1,32 г/см3; предел прочности при
растяжении σв = 25 – 79 МПа; при сжатии σвсж = 79 – 137 МПа; ударную вязкость КС = 2 – 98 кДж/м2; предельное относительное удлинение δ = 1 –
134 %. Наиболее прочные из термопластов – ароматические полиамиды (σв =
140 МПа; σвсж = 240 МПа; КС = 60 – 120 кДж/м2; δ = 4 – 6 %; НВ = 180 –
280).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
198
Таблица 5.6 – Характеристики основных материалов,
применяемых для конструирования кожухов
(поставка - листы ГОСТ 21631-76, ГОСТ 22635-77,
ГОСТ 19903-74, ГОСТ 19904-90)
Марка материала
05кп
ГОСТ 1050-88
08
ГОСТ 1050-88
ст2
ГОСТ
ст2кп
ГОСТ 380-94
20
ГОСТ 1050-88
10Г2
ГОСТ
Д-16АТ
ГОСТ 4784-97
Д19
ГОСТ 4784-97
АМг4
ГОСТ 4784-97
МА18
ГОСТ 14957-76
ВТ1
ГОСТ 198071-91
08ГСЮТ
ГОСТ 5632-72
09Г2
ГОСТ 19282
16ГС
ГОСТ 19282
14ХГС
ГОСТ 19282
15ХСНД
ГОСТ 19282
10Г2С1
ГОСТ 19282
12Х18Н9Т
ГОСТ5632-72
Временное Предел текуче- Относисопротивлести
тельное
ние
удлинение
σт, МПа
σв ,МПа
δ,%
300
200
30
Модуль упругости Е,
⋅10-5 МПа
Модуль
сдвига G,
⋅10-4 МПа
2,0
7,4
330
200
35
2,1
7,4
380
200
31
2,1
8
380
200
31
2,1
8
400
240
24
2,1
6
430
250
22
2,1
8
415
275
10
7,2
2,7
480
350
11
0,71
2,7
320
190
40
0,71
2,7
185
150
60
0,45
-
350
270
50
1,1
3,9
590
410
20
2,1
7,7
930
780
12
2,1
8
490
330
27
2,1
8
490
345
22
2,0
7,7
490
345
21
2,0
7,7
485
335
35
2,0
7,7
540
495
40 2,0
2,0
7,7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
199
Устойчивы в маслах, бензине, кислотах – поликапромиды (капрон, перлон,
силон и др.), которые обладают высоким относительным удлинением (ρ =
1,13 – 1,15 г/см3; σв = 60 - 70 МПа; σви = 90 МПа; КС = 150 кДж/м2; δ = 150 –
400 %; температура размягчения 210 0С). Из таких материалов изготовляют
детали машин (опоры подшипников, несущие диски, защитные кожухи и
др.).
5.6.3 Валы
Валы РО нагружены в основном крутящими и изгибающими моментами. Изгибающие моменты вызывают нормальные напряжения, изменяющиеся по симметричному циклу (таблица 5.2, позиция 4). Характер касательных напряжений определяется характером нагрузок, которые могут изменяться по случайному закону. Валы обычно рассчитывают на статическую
прочность и на выносливость. Анализ конструкций показывает, что валы РО
имеют значительную длину (свыше 1000 мм) и часто выполняют несущую
функцию. Смещение вала в осевом направлении ограничивается в одной из
опор. Наиболее распространены двухопорные (на подшипниках скольжения
или качения) валы. Многоопорный трансмиссионный вал установлен в культиваторе КФ-5,4 (рисунок 1.13). В таком валу возникают дополнительные нагрузки. В каждой опоре бывает по одному или по два подшипника. Классификация валов приведена в таблице 4.4, позиция 3. Массы деталей, установленные на валах, значительны и вызывают изгибающие моменты. Для разгрузки валов от изгибающих моментов часто соединяют несущие диски осями, проходящими через них (рисунок 1.43), или скручиваемыми втулками.
Полыми валы конструируются при большой длине (свыше 1000 мм). Концы
валов выполняются цилиндрическими или коническими. Для валов обязательными являются расчеты на прочность, выносливость и жесткость. Для
быстровращающихся валов рассчитывают критические скорости вращения.
Часто валы рассчитывают на изгибные колебания.
Масса валов может составлять существенную долю массы РО, поэтому снижение расхода материалов для валов, может приводить к снижению
материалоемкости всей машины.
В сельскохозяйственном машиностроении валы в основном изготовляют из качественных сталей (таблица 5.7).
Как мы ранее отмечали, валы конструируются сплошными или пустотелыми. Для изготовления пустотелых валов используют трубы бесшовные
холоднокатаные (ГОСТ 9941-81 и ГОСТ 10498-82), а также трубы из титановых сплавов (ОСТ 1.900050-72 и ГОСТ 22897-86) (приложение Б). Титановые сплавы обладают хорошей свариваемостью и закаливаемостью. В отдельных случаях используются трубы водогазопроводные (ГОСТ 3262-72) и
электросварные коррозионностойкие (ГОСТ 11068-81). Рабочие поверхности
валов подвергают поверхностной закалке, цементированию и азотированию.
В качестве заготовок для валов большого диаметра используют поковки (ру-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
200
бительные машины).
Таблица 5.7 – Характеристики сталей, применяемых для валов
(ГОСТ 1050-88, ГОСТ 4543-71) [закалка 880 0С (вода, масло;
отпуск 400 0С (воздух)]
Марка Диаметр заготовки, мм
В
45
не ограничен
120
80
40Х
не ограничен
200
120
30ХГТ не ограничен
120
60
50Х
Н
200
240
270
200
240
270
270
320
415
229
σв,
МПа
560
800
900
730
800
900
950
1150
1500
900
σ т,
МПа
280
550
650
500
650
750
750
950
1200
1100
σ-1,
МПа
250
350
380
320
360
410
450
520
650
τ-1,
МПа
150
210
230
200
210
240
260
310
330
ψσ
ψτ
0
0,1
0,1
0
0
0,05
0,1
0,05
0,1
0,15
0,2
0,03
0,1
0,1
Примечание: σ-1- предел выносливости при симметричном изгибе; τ-1 – предел выносливости при кручении; ψσ ,ψτ - коэффициенты, характеризующие чувствительность материала к
асимметрии цикла напряжений.
5.6.4 Измельчающие элементы
Измельчающие элементы (ИЭ) работают в условиях интенсивного
износа и подвергаются воздействию динамических нагрузок. Способы повышения износостойкости будут рассмотрены далее. Основными разновидностями измельчающих элементов являются: ножи, молотки, штифты, диски, гибкие (переменной формы) элементы. Параметры ИЭ существенно
влияют на процесс измельчения, энергоемкость, а также в значительной степени определяют надежность всего РО. Часто при конструировании ИЭ используют несколько видов материалов одновременно. Это обуславливается
разнообразием предъявляемых требований: прочность, упругость, пластичность, ударные свойства, термопрочность (при нагреве и при низких температурах).
Для конструкций ножей определяющими являются геометрические
параметры: толщина и длина ножа, длина лезвия, угол заточки. Ножи почвообрабатывающих РО работают при скоростях 3,5 – 5 м/с. Их конструктивные
параметры стандартизованы (таблица 1.2). Ножи лесных фрез изготовляются
из пружинных сталей ГОСТ 14959-79. (Приложение В). Лезвие ножа термообрабатывают до твердости HRC 50. В незакаленной части ножа твердость
составляет не более НВ 270.
РО для измельчения древесно-растительных материалов функциони-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
201
руют при скоростях взаимодействия с предметом труда в пределах от 35 до
45 м/с (Н.Е. Резник). При такой скорости велико ударное воздействие на ИЭ.
Острота лезвия для таких ножей задается в пределах от 20 до 40 мкм. Конструкция таких ИЭ показана на рисунке 1.25. Тело ИЭ изготовляется из полосовых низколегированных сталей с повышенной ударной вязкостью (таблица 5.8). Рабочая поверхность ножа упрочняется.
Цельные ножи изготовляют из высокоупругих сталей ГОСТ 1495979. Ножи подвергаются объемной термобоработке до твердости HRC 39 – 44
или закаливают ТВЧ лезвийную часть ножа до твердости HRC 44 – 50 (для
стали 65Г).
Таблица 5.8 – Основные механические свойства
низколегированной толстолистовой и широкополосной
универсальной стали
(ГОСТ 19282 – 73)
Марка стали
σв не менее,
МПа
σт не менее,
МПа
δ,%
09Г2; 09Г2Д
09Г2С; 09Г2СД
10ХСНД
15ХСНД
15ГФ
450
500
540
500
520
310
350
350
350
380
21
21
19
21
21
Ударная вязкость,
мДж/м2
(при –40 0С)
0,35-0,40
0,35-0,40
0,40-0,50
0,30-0,40
0,30-0,40
В РО отделителей древесной зелени устанавливаются цельные износостойкие ножи. За рубежом режущие ИЭ изготовляют из высокопрочных (с
добавками бора, титана и молибдена) сталей (σв до 2000 МПа).
Использование сталей повышенной прочности позволяет изготовлять
ножи из полосового ГОСТ 103-76 и ленточного ГОСТ 2283-79 и ГОСТ 498679 проката уменьшенной (до 30%) толщины, что значительно снижает металлоемкость.
Для РО, функционирующих в агрессивной среде и при высоких температурах, назначаются стали коррозионностойкие и жаропрочные ГОСТ
5632-72, поставляемой в виде лент ГОСТ 4986-79 (до 6 мм толщиной0. Например, предел прочности стали 40Х9С2 ГОСТ 5632-72 при закалке 1050 гр.
(масло) и отпуске 300 гр. (воздух) превышает 2150 МПа (δ = 25 %). Эта сталь
может поставляться в виде проволоки ГОСТ 18143-72 (диаметр до 6 мм), из
которой можно изготовлять штифтовые ИЭ.
Молотки работают при скоростях от 45 до 120 м/с и подвергаются
большим динамическим нагрузкам. Геометрические параметры молотков показаны на рисунке 1.31. Для молотков допускается радиус затупления до 2
мм, а дисбаланс – не более 5 гр. Молотки изготовляются из полосовой или
ленточной сталей с повышенной ударной вязкостью (таблица 5.8). В зерно-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
202
вых дробилках применяют молотки толщиной до 4 мм из стали 65Г или
30ХГСА с закалкой до 880 0С с последующим отпуском до 225 0С до твердости 390 – 475 НВ. Следует отметить, что для изготовления молотков используются чугуны ГОСТ 7293-85 (например, чугун ВЧ100 имеет параметры: σв =
1000 МПа; σт= 700 МПа; НВ 250). Диски и оси молотковых дробилок могут
быть изготовлены из обычных конструкционных сталей. Молотки обязательно изготовляются из легированных, термически обработанных, вязких и износостойких сталей. Ось молотков рассчитывается как многопролетная балка, нагруженная сосредоточенными силами между опорами. Число опор
принимается на единицу больше числа дисков. При конструировании молотковых РО стремятся назначать жесткие допуски на посадочные отверстия
дисков на валу и молотков на оси. Молотки уравновешиваются на удар, т.е.
не передают реакции ударов рабочей части молотков об измельчаемый материал на оси подвеса. При расчетах дисков РО необходимо учитывать их ослабление за счет отверстий под оси молотков и ножей.
Штифтовые ИЭ применяются в дезинтеграторах (рисунок 1.34).
Штифты выполняются цилиндрическими или коническими. В дисковых измельчителях каждый ряд штифтов, установленный на дисках, проходит при
своем вращении между двумя рядами штифтов, закрепленных на крышке РО.
В дезинтеграторах диски с штифтами вращаются в разные стороны. Нагрузки
носят ударный характер. Такие РО нагружаются значительными центробежными силами. Штифты изготовляются из инструментальных легированных
сталей ГОСТ 5950-2000 из круга горячекатанного, ГОСТ 2590-88, или калиброванного хплоднокатанного, ГОСТ 7417-75 (минимальный диаметр - 5 мм).
Имеет место конструирование штифтов из пружинных сталей ГОСТ 1495979, из проволоки пружинной легированной, ГОСТ 14963-78 (максимальный
диаметр - 14 мм). Штифты подвергаются термообработке аналогично молоткам. Для изготовления штифтов можно использовать кованую и состаренную
сталь H12M10K12ТЮ, обладающую максимальными прочностными свойствами (σв = 2940МПа; σт = 2890МПа).
5.6.5 Подшипники
Подшипниковые опоры качения конструируются на основе стандартных элементов (таблица 4.2, позиция 2.1). Подшипниковые опоры скольжения (таблица 4.2, позиция 2.2) изготовляются из антифрикционных материалов. В лесохозяйственных машинах чаще всего наблюдаются режимы полужидкостного и полусухого трения. В сельскохозяйственном машиностроении
применяют стандартные подшипники, у которых рабочий элемент изготовлен заодно с корпусом (ГОСТ 1986-88). Самоустанавливающиеся подшипники используют при фланцевой установке РО. Подшипники скольжения изготовлялись в сельскохозяйственных машинах из антифрикционного чугуна
ГОСТ 1587-68, древесины (ГОСТ 4631-49), металлокерамики и пластмассы.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
203
При расчете подшипников и выборе материалов руководствуются параметрами материалов и критериями: f – коэффициент трения в паре с шейкой вала из стали цементированной и закаленной до твердости HRC 55 – 60;
[p] – допустимое давление; [v] - допустимое относительное скольжение; [pv]
– допустимое произведение скорости на давление; t – допустимая температура (таблица 5.9). Подшипник работает тем надежнее, чем выше твердость и
меньше шероховатость шейки вала.
Для изготовления подшипников скольжения используются бронзы
оловянные, ГОСТ 5017-94 (до 30% свинца и до 40% олова) и алюминиевые
для монометаллических конструктивных элементов, свинец ГОСТ 3778-98 и
олово ГОСТ 860-75. В таблице 5.9 приведены основные свойства материалов
для изготовления подшипников. Для повышения долговечности подшипников в смазочный материал добавляют порошки из мягких оловянных бронз,
содержащие поверхностно активные вещества, для реализации в трущихся
парах эффекта избирательного переноса – образования на поверхности шейки вала пленки из частиц медного сплава. Такой эффект наблюдается в паре
медный сплав – сталь (f = 0,008). В лесных машинах применяются также антифрикционные чугуны, которые обладают комплексом свойств (износостойкость, прирабатываемость и др.), которые превосходят соответствующие
свойства бронз. Имеются конструктивные решения выполнения подшипников из серого чугуна с пластическим графитом и высокопрочного чугуна с
шаровидным графитом, а также из ковкого чугуна.
Высшими механическими характеристиками для материалов подшипников обладают порошковые материалы на основе железа, меди и алюминия, пропитанные графитом (железографиты, бронзографиты и алюминографиты). В таких подшипниках в качестве наполнителей применяют нитрид
бора, карбид вольфрама, фторопласт и др. Подшипники из прессованной и
пропитанной маслом древесины используются при небольших скоростях (до
1 м/с), которые хорошо демпфируют вибрацию, имеют коэффициент трения
0,08 – 0, 1, допускаемое давление 3 МПа, допустимое произведение давления
на скорость – 2,5 МПа⋅м/с, нагрев - до 50 0С.
Таблица 5.9 –
Характеристики некоторых материалов
для конструирования для подшипников
Материал и марка
НВ
[p], МПа
[v], м/с
БрО4Ц4С17
60
10
4
[pv],
МПа⋅⋅м/с
12
БрО5Ц5С5
60
8
3
12
110 –
160
15
5
12
БрАЖ9-4
f
t, 0С
0,008 –
0,018
0,008 –
0,018
0,012 –
0,04
До
200
До
200
До
250
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
204
Материал и марка
НВ
[p], МПа
[v], м/с
БрС30
25
25
12
[pv],
МПа⋅⋅м/с
30
167 –
290
167 –
290
167 –
290
5
5
12
1,5
10
12
20
2
20
Бронзографиты и железографиты
Алюминографиты
1,2 – 18
0,1 – 4
1,8 – 4,8
1,1 - 12
0,1 - 2
Древесина пресованная
Древесина, пропитанная маслом
Капролон В
3
2,5
До 1
До 1
Чугун АЧС-5
Чугун АЧВ-1
Чугун АЧК-1
Фенол С2
Полиацетали
Фторопласт Ф4К15М5
Тектолиты без смазки
Текстолиты со смазкой
АМАН (на основе эпоксидных смол)
Ситал (керамика)
С-8 (керамика)
180 –
250
2,5
1,2
0,08
f
t, 0С
0,01 –
0,06
0,01 –
0,06
0,01 –
0,06
0,01 –
0,06
0,04 –
0,09
0,005 –
0.008
0,08 – 0,1
0,02 –
0,08
0,35
без смазки
До
250
220
12 - 20
0,025 – 0,5
0,12 – 0,2
1,5 - 7
5
10
6 – 35
5
1
2
4 –5
0,4 – 1
1
2
5
2,5 – 4
1,55
2,6
0,5
0,05
0,2 – 0,3
0,05 – 0,1
0,12
80
50
100
250
До
-30
250
80
250
До
300
540
700
В последние годы в лесном машиностроении стали широко применяться подшипники на основе пластмасс: термопласты и реактопласты. Из
термопластов изготовляют подшипники литьем под давлением, с последующей механической обработкой. Подшипники из термопластов часто используют без смазывания, в агрессивной среде, в вакууме и при различных температурах. Подшипники из капролона В (таблица 5.9) могут работать без
смазки. Подшипники на основе полиамидов не рекомендуется применять в
кислотах и в воде. В них в качестве наполнителей используются графит и
нитрид бора (f = 0,0077 – 0,09; t < 280 0C). На основе фторопластов изготовляют комбинированные подшипники, включающие стальную втулку, на которой нанесен слой высокооловянной бронзы, поры которой заполнены смесью фторопласта-4 с диосульфидом молибдена, и слой меди. Диаметр
подшипника - 8 – 88 мм, ширина - 8 – 75 мм, рекомендуемый зазор - 30 – 45
мкм. Такой подшипник хорошо работает без смазывания в диапазоне температур от – 200 до + 300 0С.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
205
В лесных машинах широко применяются подшипники на основе самосмазывающихся антифрикционных материалов с добавками в виде твердых смазочных материалов и армированные металлическими сетками тканями или пористыми основаниями. Такие подшипники выдерживают большие
нагрузки. Наиболее известны АТМ-2 ([p] = 4 МПа; [v] = 0,27 м/с f = 0,15) и
Тесан-6 ([p] = 0,2 МПа; [v] = 2 м/с f = 0,06). Линейная интенсивность изнашивания таких подшипников находится в пределах от 0,10⋅10-8 до 0,7⋅10-8.
Для смазки подшипников назначается смазка пластичная с диапазоном рабочих температур от –60 до 90 0С: 1-13 ТУ 38.401-58-142-95; Атланта
ТУ 38.1011048-98; ВНИИ НП 207 ГОСТ 19774-74; ОКБ-122-7 ГОСТ 1817972; Свинцоль-01 ТУ 38101577-76. Для подшипников, работающих при высоких температурах, применяется смазка ВНИИ НП-213 ТУ 38.101187-80. Для
высокооборотистых РО назначается смазка, закладываемая в подшипник на
весь срок эксплуатации, ЦИАТИМ–221 ГОСТ 9433-80 и Литол-24 ГОСТ
21150-87. Для РО, предназначенных для измельчения растительных материалов с большим выделением сока, может быть рекомендована морская гигроскопичная смазка ГОСТ 2712-75.
5.6.6. Виброизоляторы
Вибрация в РО приводит к возникновению в материале знакопеременных напряжений и относительному смещению сопрягаемых поверхностей, что может приводить к отказам. Для РО кормоуборочных машин, дробилок эксцентриситет ограничивается нормативами. Так как энергия вибрации возрастает пропорционально скорости вращения, то к быстроходным РО
предъявляются более жесткие требования. РО лесохозяйственных машин по
допускам на смещение центра масс можно отнести к грубым механизмам.
При измельчении РО предмета труда с неравномерно распределенными механическими характеристиками устранить неуравновешенность балансировкой невозможно. Виброактивность РО можно снизить применением специальных подшипников и упругих, демпфирующих или изолирующих опор
(таблица 4.2, позиция 2.6). Виброизоляторы из термоморозостойкой резиновой смеси ТУ 38-1051082-76 (поставляется в виде пластин ГОСТ 7338-90 с
максимальной толщиной до 20 мм), войлока, пробки, пенополиуретана ОСТ
6-06-407-75 (поставляется в виде листов ППУ 40 ТУ 6-05-324-72) устанавливаются между опорами и рамой машины. Имеют место упругие прокладки и
подушки из прессованной пробки, пенькового волокна и пластмассы. Такие
виброизоляторы обладают достаточной прочностью и стойкостью против
воздействия смазочных материалов. Трехслойные виброизоляторы изготовляют из двух стальных полос или колец, соединенных слоем вулканизированной резины. Одна полоса прикрепляется к опоре РО, а другая – к раме
машины.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
206
5.7 Повышение износостойкости
Износостойкость РО является наиболее значимым фактором (после
прочности) при выборе материалов для измельчающих элементов.
Понятие износостойкости неразрывно связано с твердостью и модулем упругости материалов. Теоретически наибольшей износостойкостью обладают сверхтвердые материалы (свыше 50 ГПА), к которым относятся кубические модификации углерода и нитрида бора (ρ = 3,5 г/см3; Е = 9,7⋅105
МПа; теплостойкость - 1200 0С; микротвердость - 60 ГПА). Высокой твердостью и износостойкостью обладают металлоподобные карбиды переходных
металлов, например, карбид титана с кубической кристаллической решеткой
(ρ = 4,94 г/см3; Е = 4,94⋅105 МПа; микротвердость - 29 ГПА). Высоким сопротивлением абразивному изнашиванию обладают металлоподобные нитриды переходных металлов (TiN; ZrN; HfN), бориды (TiB2; ZrB2; HfB2), силициды (TiSi2; ZrSi2; HfSi2 и др.). Нитриды используют в качестве покрытий
на тугоплавких металлах и наплавах на сталях и чугунах. Оксид алюминия (ρ
= 3,95 г/см3; Е = 3,5⋅105 МПа; твердость - HRA 90) в виде корунда в совокупности с модификатором (оксид магния) применяют в абразивном инструменте при работе на песчаных почвах в условиях повышенной коррозии.
Упрочнение стали 45 тугоплавким соединением TiB2 повышает ее износостойкость в 8 раз, а соединения TiC, соответственно, в 5 раз. Износостойкость стали 3, упрочненной карбидом титана (TiC) повышается почти в 10
раз по сравнению с исходным состоянием. Борирование повышает абразивную стойкость (при давлении 1 МПА и скорсти 30 м/с) углеродистых сталей
в 1,8 - 6,7 раз, хромирование – в 4,5 – 5,6 раза, хромосилицирование – в 5,2 –
6,7 раза. Плазменное нанесение покрытия типа стеллит № 11 позволяет повысить износостойкость низкоуглеродистых сталей в 13 раз, а покрытия типа
колмоной – в 25 раз.
Вышеуказанные покрытия не только повышают износостойкость рабочих органов, но повышают механические характеристики материала. Например, долговечность по критерию сопротивления усталости при плазменном напылении с подслоем повышается (хромовое по подслою меди и никеля
– твердое и молочное). Невысокую стоимость имеет металлокерамика на основе оксидов алюминия (корунд, твердость 18000 – 24000 МПа), обладающая
высокой химической стойкостью. За рубежом из алюмокерамики изготовляют быстроизнашиваемые рабочие органы почвообрабатывающих машин. Такие детали имеют износостойкость в 6 раз большую, чем стальные. К перспективным материалам, обладающим не только высокой износостойкостью,
но и повышенной ударной прочностью, относятся сиалон, получаемый на основе нитридов кремния и оксидов алюминия.
Особую группу износостойких материалов представляют твердые
сплавы. В зависимости от состава они характеризуются твердостью HRA 82 –
91 и износостойкостью 0,2 – 10 км/мм при изнашивании об абразивную
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
207
прослойку из электрокорунда. Эти материалы производят в виде электродов,
проволоки и порошков. Износостойкие материалы применяют в наплавках
(слоях от одного до десятков мкм). Например, используют высокомарганцевую сталь 110Г13Л, эксплуатируемую при ударных нагрузках. В качестве
инструментального материала часто применяют вольфрамовые, титановольфрамовые и титанотанталовольфрамовые твердые сплавы. Вольфрамовые твердые сплавы имеют: Е = 520 ГПА, HRA 91; σи = 1700 МПА; красностойкость - 800 – 850 0С. Вышеуказанные твердые сплавы применяются в
машиностроении.
Промышленность выпускает твердые сплавы в виде пластинок различной формы: трехгранные, квадратные, ромбические, круглые, пяти- и
шестигранные. Пластины имеют отверстия для закрепления их на измельчающих элементах. Примеры механического закрепления пластин на рабочих органах кормоуборочных машин показаны на рисунке 1.25. Применяется
также способ установки твердосплавных вставок и лезвий на потайных заклепках и приваркой. Материалы на основе нитридов бора по твердости
близки к алмазу (теплостойкость 1300 –1400 0С). Из них промышленность
выпускает пластины различной формы (размером 4 – 10 мм в поперечнике и
4 – 7 мм по высоте). Анализ литературных источников показывает, что в лесных машинах указанные материалы используются весьма ограниченно (рабочие органы зарубежных рубительных машин и лесохозяйственных мульчирователей).
Наибольшее распространение в РО лесных машин получили двухслойные лезвия с твердосплавным покрытием. Для повышения износостойкости ножей почвообрабатывающих машин на рабочую поверхность наносят
износостойкие покрытия: карбиды или нитриты титана. Слой 5 – 7 мкм увеличивает срок службы в 3 – 4 раза. Износостойкие покрытия наносят на измельчающие элементы конденсацией вещества из плазменной фазы в условиях ионной бомбардировки или электронно-лучевым плазменным осаждением. Такой способ применяется также при ремонте машин. Применяется
способ нанесения покрытий методом окунания. Способ использования двухслойного материала с различной степенью износа обеспечивает при эксплуатации лучшую форму лезвия (самозатачивание). При износе форма лезвия
(радиус затупления) остается стабильной. Вышеуказанные мероприятия не
только повышают износостойкость, но и увеличивают прочность и жесткость
ИЭ.
В сельскохозяйственном машиностроении применяется трехслойная
лемешная сталь (ГОСТ 6765-53), которая имеет слои с разной твердостью
(толщина слоев: 5, 6 и 7 мм). Средний слой имеет минимальную твердость.
Поставляется в листах или в виде карт. Известен способ изготовления ножей
роторных РО уборочных сельскохозяйственных машин (Сасаока Миёси. Роторный нож для уборочных машин. Заявка 60-245726, Япония. Опубл.
5.12.85. МКИ С21 D9/13), который заключается в том, что режущая кромка
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
208
ножа и противоположная зона закаливаются до твердости HRC 60, а срединная часть лезвия закаливается до твердости HRC 45. Такой способ обеспечивает более интенсивный износ средней части лезвия и сохранение угла заточки.
Ранее в сельскохозяйственном машиностроении использовались
сплавы: сталинит, сормайт №1 и №2, кремнистые и марганцовистые электроды (ГОСТ 2246-43). Покрытия на их основе обеспечивали износостойкость
при истирании на карборундовом круге в пределах от 1,5 до 15 мг/мм2 (за
один и тот же промежуток времени). Для деталей, подверженных воздействию динамических нагрузок, использовался сормайт №2 в виде электродов
со специальной обмазкой. В настоящее время наиболее дешевым и распространенным способом повышения износостойкости РО является нанесение
на рабочие поверхности износостойких покрытий. В сельскохозяйственном
машиностроении применяются относительно недорогие сплавы на основе
высоколегированных чугунов ПС-С27, ПГ-УС25, ПГ-ФБХ-6-2, ПР-ФМИ,
ПС-14-60, литой карбид вольфрама, самофлюсующиеся сплавы ПРН67Х18С5Р4 и другие (таблица 5.10). Соотношение толщины лезвия и толщины сплава обычно составляет 1:1,2. Вибродуговую наплавку лезвий в среде защитных газов производят на полуавтоматах. Применяется также индукционные методы наплавки. Наплавка ТВЧ используется для нанесения покрытий небольшой толщины (1,6 – 1,8 мм).
Таблица 5.10 – Износостойкие порошковые сплавы,
применяемые для повышения износостойкости РО
Марка
Углерод
Хром Никель
ПГ-С27
3,9
26
1,7
ПГ-УС25
ПГ-ФБХ62
ПР-ФМИ
ПС—1460
Рэлит «3»
ПГ-10Н01
ПГ-СР4
ПРН67Х18С
5Р4
4,9
4,5
38
34
1,4
-
3,5
4,8
35,7
1,3
3,8
0,8
16,5
-
0,8
1,2
16,5
17,5
Осталь
ное
Химический состав, %
КремМар- Бор Вольф- Же- Другие
ний
ганец
рам
лезо элементы
1,5
1,1
0,3
Молибден
0,1
2,1
2,5
1,7
2,7
1,7
Осталь
2,5
12
3
ное
2,5
0,7
0,2
Медь
0,8
96,1
0,15
4,3
3,5
5
3,7
4,5
-
3,3
4,3
-
-
-
Твердость
55,5
56,5
58
56
57
60
60
62
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
209
Порошки марок ПГ-10Н-01 и ПГ-10К-01 используются газовой металлизации ИЭ, работающих при ударных нагрузках, а ПГ-19М-01 назначают для деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания. Используют установки Л-5405Л; 011-1-01(ОКС-5522) и др. Порошки на железной основе применяют при плазменном напылении.
5.8 Защита от коррозии
Особенности лесных машин, которые функционируют исключительно в окружающей среде, предъявляют повышенные требования защиты от
коррозии как мероприятий по облегчению конструкций. В настоящее время
невозможно полностью предотвратить коррозию. При расчетах конструкции
следует учитывать скорость коррозии. На коррозию оказывают влияние следующие факторы: 1. Свойства самого материала (нержавеющие, слабо ржавеющие и ржавеющие материалы); 2. Влияние окружающей среды и свойств
предмета труда [вода, загрязнение воздуха (особенно SO2 и хлориды), солнечное и космическое излучение, температура, климатическая зона, место
установки, реакция материала РО с предметом труда (особенно с почвой,
растительными материалами, топливом, удобрениями и средствами зашиты
растений)]; 3. Влияние противокоррозионных мероприятий. Коррозия снижает прочность материала, увеличивает концентрацию напряжений, уменьшает
износостойкость и долговечность. На степень коррозии влияет соединение
деталей из разнородного материала, переменное деформирование соединений, микротрещины, скольжение элементов (реверсивное) относительно друг
друга. Нагрев конструкции замедляет коррозию.
Все противокоррозионные мероприятия можно выполнить следующими мерами:
- выбором соответствующих конструкционных материалов [например, в условиях работы лесных машин высокой коррозионной стойкостью
обладают легированные стали 30ХГСА, 30ХГСНА (ГОСТ 4543-71) , ЭИ-643,
СН-2 (применяется в авиации), титановые сплавы ВТ1, ВТ6, ВТ5 (ГОСТ
1907-91)]. Алюминиевые сплавы Д-16Т, Д19, Д20 (ГОСТ 4784-97) и магниевые МА2, МА8 (ГОСТ 14957-76) обладают невысокой стойкостью против
коррозии. Сплавы АЛ9, АЛ19 (ГОСТ 1583-93), АК6 (ГОСТ 4784-97) и МЛ4,
МЛ5-Т4 (ГОСТ 2856-78) обладают низкой стойкостью. Полимеры (полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид, тефлон и др.) обладают высокой стойкостью против коррозии;
- созданием надежных герметичных соединений и уплотнений, защищающих конструкцию от воздействия окружающей среды, предмета труда и других материалов;
- созданием защитных поверхностных покрытий на элементах конструкций (металлические, окисные, лакокрасочные и масляные, консервационные). В настоящее время при изготовлении и ремонте лесных машин с целью
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
210
защиты от коррозии применяются свыше 15 видов покрытий;
- насыщением коррозионной рабочей среды жидкими ингибиторами
(замедлителями коррозии);
- созданием и поддержанием определенного состава рабочей среды
(очистка и фильтрация смазывающего материала, рабочих жидкостей и воды, поддержанием низкой относительной влажности воздуха и его очистка,
обеспечением работы в инертной среде и т.д.).
Мероприятия по защите от коррозии разрабатывают на стадии проектирования, изготовления, эксплуатации и при утилизации изделия. Основной целью конструирования является с помощью конструктивных приемов и
способов ограничение условий возникновения коррозии и снижение затрат
на защиту от нее. В ходе эксплуатации лесных машин коррозию предотвращают с помощью защитных мероприятий, объем которых должен быть экономически обоснованным. При конструировании лесных машин конструктор
должен ограничивать число источников коррозии заданием соответствующей формы детали, облегчая процесс нанесения защитных покрытий. Остановимся на конструктивных мероприятиях защиты от коррозии.
1.Защищаемые поверхности должны быть доступны и хорошо видны.
2. Беспрепятственное удаление веществ, вызывающих коррозию: устранение стыков, зазоров и карманов; использование закрытых профилей (открытые профили следует располагать так, чтобы в них не образовывались агрессивные отложения); достаточное удаление друг от друга стыкуемых профилей (чтобы проходил инструмент для очистки); выполнение постоянных
отверстий для удаления жидкостей и конденсата из углублений и профилей;
устранение больших по площади горизонтальных поверхностей путем изготовления на них стоков, ребер или выполнение поверхностей наклонными.
3. Клееные и сварные швы следует предпочитать другим типам соединений. Предпочтительны сквозные (чем прерывистые) швы для устранения щелевой коррозии. При точечной сварке листы следует накладывать
внахлестку, с устранением проникновения между ними агрессивных веществ.
4. Следует избегать острых кромок. Профили следует задавать гнутые, у которых заданы радиусы скругления. Все острые кромки следует
скруглять (радиус > 3 мм) или притуплять.
5. Необходимо предотвращать контакт материалов, имеющих разный
потенциал, или изолировать их друг от друга. Труднодоступные места конструкции следует обеспечить защитой от коррозии на длительный срок.
6. Стационарные машины, работающие на открытом воздухе, на лесосеке или в помещениях лесных складов, следует устанавливать на сухом,
легко очищаемом основании и исключать контакт с почвой. Для очистки рабочих органов и внутренних полостей следует устанавливать люки, а машина
должна комплектоваться специальным инструментом для очистки.
7. Для машин следует конструировать крепежные элементы, чтобы
предотвратить повреждения защитных покрытий при сборке, погрузке,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
211
транспортировке, агрегатировании, выполнении технического обслуживания
и ремонта. Необходимо разрабатывать устройства для защиты конструкции
при взаимодействии машины с деревьями, пнями, подростом, почвой. Конструкция машины должна быть такой, чтобы непрофессиональная эксплуатация не приводила к повреждениям.
8. Для емкостных конструкций (картеры, баки, и т.д.) следует разрабатывать устройства для устранения в них разряжения (возникает при изменении температуры), которое способствует засасыванию в емкости влаги.
9. При конструировании изделия следует разрабатывать противокоррозионные мероприятия, рассчитанные на активную защиту от коррозии, и
учитывать требования технологии изготовления и нанесения защитных покрытий.
При конструировании РО покрытия назначают в зависимости от условий эксплуатации (легкие, средние, жесткие, особо жесткие) и марки покрываемого материала. Для РО, изготовленных из нержавеющих сталей, при
легких и средних условиях эксплуатации покрытия не рекомендуются. Для
жестких и особо жестких условий назначаются никелевые электролитические
покрытия (Н18, Н21, Н24, Н30, Н36), которые позволяют работать при температурах до 650 0С (микротвердость поверхности 2000 – 4000 Н\мм2). Для
особо жестких условий назначают хромоникелевые покрытия РХ (микротвердость 4500 – 11000 Н/мм2). Для защиты от коррозии с одновременной
декоративной отделкой используют фосфатные покрытия (Хим. фос.; Хим.
Окс.фосф, лкп и др.). относительно дешевым является покрытия на основе
олова и висмута (О-Ви), которые применяются для защиты от коррозии пружинных сталей. Для защиты сталей от коррозии при средних условиях эксплуатации часто применяют покрытия алюминиевые металлизированные
(Мет. А) и медные (Мет. М). Никелевые покрытия из легированного никеля
(Ni-Cr, 30 – 50 % хрома) применяют в химическом машиностроении. Для чугунных деталей применяют цинковые (Мет. Ц), алюминиевые (Мет. А) и
медные (Мет. М) покрытия.
Для защиты от коррозии используются и лакокрасочные покрытия
(Приложение И ). Наибольшее распространение получили алкидные (ПФ и
ГФ), эмалевые покрытия, которые устойчивы к периодическому воздействию
воды, масел и бензина и обладающие большой гаммой цветов. Для изделий,
постоянно контактирующих с водой, маслами и бензинами, назначают поливинилацетатные покрытия (ВЛ), а суспензию Ф-2МСД ТУ 6-05-041-645-77
используют для покрытия деталей, постоянно работающих в агрессивной
среде. Для временного покрытия на период хранения или транспортировки
используют покрытия битумные (БТ-117 ГОСТ 5631-79).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
212
Библиографический указатель
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
Лурье А.Б., Громбчевский А.А. Расчет и конструирование сельскохозяйственных машин. – Л.: Машиностроение, 1977. – 528 с.
Ясенецкий В.А., Гончаренко П.В. Машины для измельчения кормов.
– Киев: Технiка, 1990. – 166 с.
Резник Н.Е. Кормоуборочные комбайны. – М.: Машиностроение, 1980.
– 375 с.
Резник Н.Е. Теория резания лезвием и основы расчета режущих аппаратов. – М.: Машиностроение, 1975. – 310 с.
Габуния Н.А и др. Исследование энергозатрат роторного измельчителя
чайных веток. – Тракторы и сельхозмашины, 1982, № 7. – с. 12 –13
Карпенко М.И., Поединок В.Е. Энергоемкость процесса резания стебельчатых материалов. – Тракторы и сельхозмашины, 1982, № 6. –
С. 28 – 29
Цымерман М.З. Рабочие органы почвообрабатывающих машин. – М.:
Машиностроение, 1978. – 295 с.
Яцук Е.П. и др. Ротационные почвообрабатывающие машины. – М.;
Машиностроение, 1971. – 254 с.
Резников Л.А. и др. Основы проектирования и расчета сельскохозяйственных машин: Учебник. – М: Агропромиздат, 1999. – 542 с.
Синеоков Г.Н., Панов И.М. Теория и расчет почвообрабатывающих
машин. – М.: Машиностроение, 1977. – 328 с.
Новая техника для агропромышленного комплекса: Каталог. – М.:
Информагротех, 1994. – 316 с.
Зотов В.А. и др. Механизация зеленого хозяйства: Справочник. – М.:
Стройиздат, 1985. – 440 с.
Албяков М.П. и др. Справочник механизатора лесного хозяйства. –
М.: Лесная промышленность, 1977. – 296 с.
Голоулин А.В. Новые машины для механизации овощеводства в защищенном грунте. – М.: Высшая школа, 1979. – 103 с.
Справочник – Строительные машины. /Под. ред. В.А. Баумана и Ф.А..
Лапара. – Т. 1. – М.: Машиностроение, 1976. – 502 с.
Тищенко А.И., Жилицкий Я.З. Справочник механизатора – садовода.
– М.: Колос, 1972. – 248 с.
Камаристов В.Е.. Дунай Н.Ф. Сельскохозяйственные машины. – М.:
Колос, 1971. – 506 с.
Сакун В.А. Закономерности развития мобильной сельскохозяйственной техники. – М.: Колос, 1994. – 159 с.
Мелиоративные машины. /Под. ред. И.И. Мер. – М.: Колос, 1980. –
350 с.
Брагинский М.В. Механизация садово-паркового хозяйства. – Л.: Колос, 1984. – 272 с.
Корниенко П.П. и др. Механизация обработки почв под лесные культуры. – М.: Агропромиздат, 1987. – 247 с.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
213
22. Гаркави Н.Г. Машины для земляных работ. – М.: Высшая школа,
1982. – 251 с.
23. Чернега А.И. Механизация работ в зеленом строительстве. – Киев:
Будiвельник, 1972. – 176 с.
24. Шапошников А.П. и др. Технология создания и содержания зеленых
насаждений. Учебное пособие. – Новочеркаск, 1984. – 102 с.
25. Пронин А.Ф., Модестова Т.А. Практикум по лесохозяйственным и
мелиоративным машинам. Учебное пособие – М.: Высшая школа,
1984. – 272 с.
26. Якимук П.Г. и др. Справочник механика по мелиоративным машинам.
– М.: Колос, 1977. – 368 с.
27. Гуряков М.В., Поляков Н.Н. Малогабаритная сельскохозяйственная
техника. - М.: Машиностроение, 1994. – 96 с.
28. Кленин Н.И., Сакун В.А. Сельскохозяйственная техника и мелиоративные машины. – М.: Колос, 1994. – 751 с.
29. Воронов Ю.И. и др. Сельскохозяйственные машины. – М.: Колос,
1972. – 479 с.
30. Мельников С.В. Механизация и автоматизация животноводческих
ферм. – Л.: Колос, 1978. – 560 с.
31. Мянд А.Э. Кормоприготовительные машины и агрегаты. – М.: Машиностроение, 1970. - 256 с.
32. Сергеев М.П. Производство витаминной муки. – М.: Лесная промышленность, 1983. – 40 с.
33. Левин Э.А.. Репях С.М. Переработка древесной зелени. – М.: Лесная
промышленность, 1984. – 120 с.
34. Кевиньш Ю.Ю. Механизмы для заготовки древесной зелени. Комплексная механизация рубок ухода. – Рига : Зинатне, 1979. – С. 176 –
186
35. Томчук Р.И.. Томчук Г.Н. Древесная зелень и ее использование в народном хозяйстве. – М.: Лесная промышленность, 1973. – 360 с.
36. Залегаллер Б.Г., Ласточкин П.В. Механизация работ на лесных складах. – М.: Лесная промышленность, 1973. – 408 с.
37. Паничев Г.П., Китайкин Л.М. Производство технологической щепы
на специализированных линиях, Обзорная информация. – М.: ВНИИПОМлеспром, 1986. – 52 с.
38. Эрдогян Ф. И др. Вычислительные методы в механике разрушения
(Пер. с англ.). – М.: Мир, 1990. – 391 с.
39. Машины и оборудование для АПК в регионах России: Каталог. –
М.: Информагротех, 1997. - Т. 1. – 316 с.
40. Машины и оборудование для АПК в регионах России: Каталог. –
М.: Информагротех, 1998. - Т. 2. – 283 с.
41. Эрнст Л.К., Науменко З.М., Ладинская С.М. Кормовые продукты из
отходов леса. – М.: Лесная промышленность, 1982. – 168 с.
42. Келлер Н.А. Машины и инвентарь для фермерских и приусадебных
хозяйств. Справочник. – М.: Колос, 1994. – 303 с.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
214
43. Зотов В.А. Машины для городских озеленительных хозяйств. – М. :
Машиностроение, 1978. – 203 с.
44. Алешкин В.Р., Рощин П.М. Механизация животноводства. М.: Агропромиздат, 1985. – 336 с.
45. Резник Н.Е. Кормоуборочные комбайны. - М.: Машиностроение, 1980.
– 378 с.
46. Рыжов С.В. Механизация переработки соломы на корм. – М.: Колос,
1983. – 239 с.
47. Кулаковский И.В., Кирпичников Ф.С., Резник Н.Е. Машины и оборудование для приготовления кормов. – М.: Россельхозиздат, 1987. –
286 с.
48. Горячкин В.П. Собрание сочинений в 3-х томах. – М.: Колос, 1968. –
Т.3 – 384 с.
49. Коршун В.Н. Исследование отклонения шарнирно прикрепленных
ножей устройства измельчения листьев. – В сб.: Машины и орудия
для механизации лесозаготовок и лесного хозяйства, Вып. 11. – Л.:
ЛТА, 1982. – с. 61 - 64
50. Сыроватко В.И. и др. Механизация приготовления кормов: Справочник. – М.: Агропромиздат, 1985. – 367 с.
51. Митяшин Ю.И. и др. Расчет и проектирование ротационных почвообрабатывающих машин. – М.: Агропромиздат, 1988. – 172 с.
52. Лещакин А.И. Проектирование ротационных почвообрабатывающих
рабочих органов: Учебное пособие. – Саранск, 1989. – 91 с.
53. Яковлев В.Т. Основы проектирования и расчета почвообрабатывающих машин. Барнаул : АлтГУ, 1994. – 96 с.
54. Дитрих Я. Проектирование и конструирование: Системный подход.
М.: Мир, 1981. – 456 с.
55. Крон Г. Исследование сложных систем по частям (диакоптика) (Пер. с
англ). – М.: Мир, 1972. – 544 с.
56. Хилл П. Наука и искусство проектирования. Методы проектирования,
научное обоснование решений (Пер. с англ.). - М.: Мир. 1973. – 363 с.
57. Рут Р. Обзор методов оптимизации, применяемых при конструировании машин. Труды ASME. – М.: Мир, 1976. сер. В, № 3. – с. 245 – 252
58. Бунге Г. и др. Конструирование сельскохозяйственных машин (Пер. с
нем.). – М.: Агропромиздат, 1986. – 255 с.
59. Хокс Б. Автоматизированное проектирование и производство (Пер. с
англ.). – М.: Мир, 1991. – 226 с.
60. Коршун В.Н., Гуцелюк Н.А. Постановка задачи оптимального проектирования лесохозяйственных машин. – Известия ВУЗов – Лесной
журнал, 1984. № 5. – с. 25 - 28
61. Полуэктов Р.А. Динамические модели агроэкосистем. – Л.: Гидрометиоиздат, 1991. – 311 с.
62. Франс Дж., Торнли Дж. Математические методы в сельском хозяйстве (Пер. с англ.). – М.: Агропромиздат, 1987. – 339 с.
63. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. – М.: Наука, 1968. –
355 с.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
215
64. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. – М.: Наука, 1978. –
282 с.
65. Герасимов Ю.Ю., Сюнев В.С. Лесосечные машины для рубок ухода:
Компьютерная система принятия решений. – Петрозаводск: Изд-во
ПетрГУ, 1998. – 236 с.
66. Герасимов Ю.Ю., Сюнев В.С. Экологическая оптимизация технологических процессов и машин для лесозаготовок. – Йоэнсуу: Изд-во
унив. Йоэнсуу (Финляндия), 1998. – 178 с.
67. Шимкович Д.Г. Основы оптимального проектирования элементов
конструкций лесных машин. -М.: МЛТИ, 1990. – 68 с.
68. Посметьев В.И. Обоснование перспективных конструкций предохранителей для рабочих органов лесных почвообрабатывающих орудий.
– Воронеж: ВГЛТА, 2000. – 248 с.
69. Джонс Дж. Методы проектирования: Пер с англ. -М.: Мир, 1986.–322 с.
70. Дворянкин А.М. и др. Методы синтеза технических решений. - М:
Наука, 1977. – 104 с.
71. Корячко В.П. и др. Теоретические основы САПР: Учебник для вузов.
– М.: Энергоатомиздат, 1997. – 400 с.
72. Мюллер И. Эвристические методы в инженерных разработках. М.: Радио и связь, 1984. – 132 с.
73. Принс М.Д. Машинная графика и автоматизация проектирования. –
М.: Советское радио, 1975. – 230 с.
74. Фролов К.В. Методы совершенствования машин и современные проблемы машиноведения. М.: Машиностроение, 1984. – 224 с.
75. Ханзен Ф. Основы общей методики конструирования. – Л: Машиностроение, 1969. – 164 с.
76. Холл А. Опыт методологии для системотехники. – М.: Советское радио, 1978. – 448 с.
77. Конструирование машин: Справочно-методическое пособие в 2-х
томах. /Ред. К.В. Фролов и др. – М.: Машиностроение, 1994. – Т. 1. –
528 с. – Т. 2. – 624 с.
78. Конструирование автоматических космических аппаратов: Учебник для вузов. /Под ред. Н.Ф. Бочарова и Л.Ф. Жеглова. – М.: Машиностроение, 1996. – 448 с.
79. Колесников Л.А. Основы теории системного подхода. – Киев: Наукова думка, 1988. – 171 с.
80. Андреев В.Н., Герасимов Ю.Ю. Повышение качества и надежности
манипуляторного технологического оборудования лесных машин при
проектировании. – Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 1995. – 151 с.
81. Свиридов Л.Т. Повышение эффективности механизированных процессов обработки семян хвойных пород. – Дисс. д-ра техн. наук - Воронеж, 1992. – 544 с.
82. Быков В.П. Методическое обеспечение САПР в машиностроении. Л.:
Машиностроение, 1989. – 255 с.
83. Прагер В. Основы теории оптимального проектирования конструкций. – М.: Мир, 1985. – 455 с.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
216
84. Верняев О.В. Активные рабочие органы культиваторов. – М.: Машиностроение, 1983. – 80 с.
85. Канарев Ф.М. Ротационные почвообрабатывающие машины и орудия.
– М.: Машиностроение, 1983. – 142 с.
86. Коршун В.Н. Проектирование манипуляторов лесных машин с применением САПР: Учебное пособие. – Красноярск: КГТА, 1994. – 48 с.
87. Митяшин Ю.Н., Гринчук И.М., Егоров Г.М. Расчет и проектирование ротационных почвообрабатывающих машин. – М.: Агропромиздат, 1988. – 252 с.
88. Синеоков Г.Н.. Панов И.М. Теория и расчет почвообрабатывающих
машин. – М.: Машиностроение, 1977. – 355 с.
89. Диденко Н.Ф., Хвостов В.А., Медведев В.П. Машины для уборки
овощей. – М.: Машиностроение, 1984. – 320 с.
90. Петров Г.Д. Картофелеуборочные машины. – М.: Машиностроение,
1984. – 320 с.
91. Хвостов В.А., Ларюшин Н.П. Проектирование овощеуборочных машин. Теория, конструкция, расчет: Учебное пособие. – Пенза, 1994. –
168 с.
92. Хвостов В.А., Рейнгарт Э.С. Машины для уборки корнеплодов и лука:
Теория. Конструкция. Расчет. – М.: ВИСХОМ, 1995. – 383 с.
93. Варламов Г.П. и др. Научные основы и методика расчета параметров
вибраторов плодоуборочных машин // Методические указания МУ
23.2.41 – 87. Министерство автомобильного и сельскохозяйственного
машиностроения. – 1990. – 100 с.
94. Авдеев А.В. и др. Современные сельскохозяйственные машины и оборудование для растениеводства: Конструкция и основные тенденции
развития. // Матер. Международного салона сельскохозяйственной
техники SIMA-97. – М.: ИНФА-М, 1997. – 176 с.
95. Фирсов М.М. Сельскохозяйственные погрузочно-разгрузочные машины непрерывного действия. – М.: ИНФА-М, 1996. – 240 с.
96. Месаревич М. Общая теория систем: Математические основы. – М.:
Мир, 1978. – 311 с.
97. Флик Э.П. Механические приводы сельскохозяйственных машин. М.:
Машиностроение, 1984. – 272 с.
98. Колесные и гусеничные машины. Машиностроение. Энциклопедия.
Т. 1У–15 /В.Ф. Платонов – ред. – М.: Машиностроение, 1997. – 668 с.
99. Болотин В.В. Введение в теорию и практику надежности. Конструирование машин. Справочно-методическое пособие. Т. 2 /Под ред. К.Ф.
Фролова. – М.: Машиностроение, 1992. – с. 521 – 545.
100. Болотин В.В. Ресурс машин и конструкций. – М.: Машиностроение,
1990. – 448 с.
101. Капур К., Ламберсон Л. Надежность и проектирование систем: Пер. с
англ. – М.: МНТК «Надежность машин», 1992. – 120 с.
102. Диллан Б., Сингх Ч. Инженерные методы обеспечения надежности
систем: Пер. с англ. – М.: Мир, 1984. – 318 с.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
217
103. Ксеневич И.П., Гуськов В.В. Тракторы. Проектирование, конструирование, расчет. – М.: Машиностроение, 1991. - 466 с.
104. Машиностроение. Терминология: Справочное пособие. Вып. 2. – М.:
Изд-во стандартов, 1989. – 432 с.
105. Сааякян Д.Н. Система показателей комплексной оценки мобильных
машин. – М.: Агропромиздат. 1988. – 252 с.
106. Чепурной А.И. Современные кормоуборочные комбайны и перспективы их развития. – М.: ЦНИИТЭИсельхозмаш, 1989. – 242 с.
107. Алешкин В.Р., Рощин П.М. Механизация животноводства. – М.: Агропромиздат, 1985. – 85 с.
108. Кулаковский И.В., Кирпичников Ф.С., Резник Н.Е. Машины и оборудование для приготовления кормов. М.: Агропромиздат, 1987. – 210
с.
109. Механизация приготовления кормов: Справочник. – М.: Промиздат,
1985. – 237 с.
110. Стяжкин В.И., Кутлембетов А.А. Мобильные машины для приготовления и раздачи кормов. Каталог: Ч.1. – М.: Компаньон, 1996. – 69 с.
111. Кукта Г. М. Машины и оборудование для приготовления кормов. – М.:
Агропромиздат, 1987. – 150 с
112. Мельников С.В. Технологическое оборудование животноводческих
ферм и комплексов. – Л.: Агропромиздат, 1985. – 640 с.
113. ГОСТ 12.2.019 – 86. Тракторы и машины самоходные сельскохозяйственные. Общие требования безопасности.
114. ГОСТ 24055 – 88. Методы эксплуатационной оценки. Общие положения.
115. Методы определения экономической эффективности технологий и
сельскохозяйственной техники /А.В. Шпилько. – М.: Минсельхозпрод
РФ: ВНИИ экономики сельского хозяйства, 1998.
116. ГОСТ 2695 –86, ГОСТ 26953 – 86, ГОСТ 26954 – 86. Техника сельскохозяйственная мобильная. Нормы воздействия движителей на
почву. Метод определения максимального нормального напряжения в
почве.
117. Липов Ю.Н. Научные основы расчета комплексов машин для защищенного грунта. М.: ВИСХОМ, 1991. - 250 с.
118. Панов А.И., Селиванов В.Г. Техника для обработки почвы в теплицах
// Тракторы и сельхозмашины.- 1997. - № 3. - С. 9 – 13.
119. Сысоев Е.С. и др. Оборудование для защищенного грунта для фермера
// Техника в сельском хозяйстве,. - 1995. - № 2. - С. 24 – 26.
120. Теодорадзе О.М., Габуния Н.А. Машины для возделывания и сбора
чая. – Тбилиси: Грузагроуниверситет, 1991. – 158 с.
121. Баранов А.А. Методологические основы создания и освоения производства зерна и кормоуборочной техники в условиях реформирования
сельскохозяйственного производства России: Автореф. диссерт. д-ра
техн. наук – М.: ОАО ВИСХОМ, 1998. – 40 с.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
218
122. Концепция развития системы машиностроения для агропромышленного комплекса России. – М.: Минсельхозпрод РФ: ОАО ВИСХОМ,
1998. – 22 с.
123. Кельзон И.И. Роторные машины. – М.: Машиностроение, 1978. – 325
с.
124. Биргер И.А., Шор Б.Ф., Иосилевич Г.Б. Расчет на прочность деталей
машин: Справочник. – М.: Машиностроение, 1979. -702 с.
125. Соколов В.И. Основы расчета и конструирования машин и аппаратов
пищевых производств. – М.: Машиностроение, 1983. – 447 с.
126. Механика машин: Учебное пособие для втузов/ Под ред. Г.А. Смирнова. – М.: Высшая школа, 1996. – 511 с.
127. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. М.: Высшая школа,
1975. – 640 с.
128. Расчеты машиностроительных конструкций методом конечных элементов. – М.: Машиностроение, 1989. – 520 с.
129. Тракторы. Проектирование, конструирование и расчет/ Под ред. И.П.
Ксеневича. – М.: Машиностроение, 1992. – 544 с.
130. Конструирование и расчет колесных машин высокой проходимости.
Общие вопросы конструирования./ Н.Ф. Бочарова и др. – М.: Машиностроение, 1992. – 352 с.
131. Конструирование и расчет колесных машин высокой проходимости.
Расчет агрегатов и систем/ Н.Ф. Бочарова и др. – М.: Машиностроение, 1994. – 404 с.
132. Коршун В.Н. Роторные рабочие органы почвообрабатывающих машин: Оптимизация кинематических параметров. – Красноярск: СибГТУ, 2001. – 38 с. (Деп. В ВИНИТИ № 1967 – В2001).
133. Верещагин Н.И., Левшин А.Г.. Скороходов А.Н. Организация и технология механизированных работ в растениеводстве; Учебное пособие. – М.: ИРПО: Акад., 2000. – 414 с.
134. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования. – М.:
МВТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. – 360 с.
135. Хансен Г., Хансен Д. Базы данных: разработка и управление: Пер. с
англ. /Ред. А.Н. Тихонов. – М.: Бином, 2000. – 704 с.
136. Dogherty M.J. A review of research of forage chopping. / Agr. Eng. Res.,
1982, V. 27, № 4. – p. 267 – 289 (англ.)
137. Lee N.W., Yang D.C. On the Evaluation of Manipulator Workspace //
Trans. ASME J. Mechanism, Transm. Autom. Desing. 1983. 105(5). – p.70
– 77 (англ.).
138. Kawamura N. Robots in Agriculture// Adv., Robotics, № 4б, 1986
139. Hunt D. Farm power and machinery management – 9th ed. - Ames. (Iowa):
Iowa State Univ. Press, 1995. - V11. - 363 p. (англ.).
140. Mehta C.R. Ride vibration on 7,5 kW rotary power tiller // J. Agr. Eng.
Res. – 1997. – Vol. 66, N 3. – P. 169 – 176 (англ.).
141. Modifying a carter flail forage harvester to stabilize the weighing system //
Argon. J. – 1997. – Vol. 89, N 3. – P. 527 – 529 (англ.).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
219
ПРИЛОЖЕНИЕ А
Основные сортаменты, применяемые для конструирования РО
Наименование
Шестигранник
либрованный
ГОСТ 8560-78
Основные типоразмеры, мм
ка- 8,9,10,11,12,…,46,48,
50,52,55,56,58,60,63,
65,70,75,78,80,
85,88,90,95,98,100,
3,3.2,4,4.5,
5.5,6,6.5,7
Квадрат горячеката- 6,7,8,…,28,30,32,34,
ный ГОСТ 2591-88
35,36,38,40,42,45,48,
50,53,56,60,63,65,70,
75,80,85,90,93,95,100,
105,110,115,120,125,
130,135,140,145,150,
160,170,180,190,200
Круг горячекатаный
ГОСТ 2590-88
5,5.5,6,6.3,6,6,7,8,..,
48,50,52,53,54,55,56,
57,58,59,60,62,63,65,
67,68,70,72,75,78,80,
82,85,87,90,92,95,97,
100,105,…,200,210,
220…,270
Круг калиброванный 5,5.5,6,6.3,6,6,7,8,..,
холоднокатаный
48,50,52,53,54,55,56,
ГОСТ 7417-75
57,58,59,60,62,63,65,
67,68,70,72,75,78,80,
82,85,87,90,92,95,97,
100,105,…,200,210,
220…,250
Основные группы материалов
Стали качеств. ГОСТ 1050-88
Стали легиров. ГОСТ 4543-71
Стали пружин. ГОСТ 14959-79
Стали жаропрочн. ГОСТ 5632-72
Стали инструмент. ГОСТ 1435-99
Стали инструмент. легиров. ГОСТ
5950-200
Латуни ГОСТ 15527-70
Стали электротехн. ГОСТ 11036-75
Стали общего назн. ГОСТ 380-94
Стали качеств. ГОСТ 1050-88
Стали легиров. ГОСТ 4543-71
Стали пружин. ГОСТ 14959-79
Стали жаропрочн. ГОСТ 5632-72
Стали инструмент. ГОСТ 1435-99
Стали инструмент.
легиров. ГОСТ
5950-200
Стали подшипн. ГОСТ 801-78
Стали для свар. констр. ГОСТ 19282
Меди ГОСТ 859-2001
Стали электротехн. ГОСТ 11036-75
Стали общего назн. ГОСТ 380-94
Стали качеств. ГОСТ 1050-88
Стали легиров. ГОСТ 4543-71
Стали пружин. ГОСТ 14959-79
Стали жаропрочн. ГОСТ 5632-72
Стали инструмент. ГОСТ 1435-99
Стали инструмент.
легиров. ГОСТ
5950-200
Стали для свар. констр. ГОСТ 19282
Сталь арматурная ГОСТ 5781-82
Сплавы аллюмин. деформируемые
ГОСТ 4784-97
Стали электротехн. ГОСТ 11036-75
Стали качеств. ГОСТ 1050-88
Стали легиров. ГОСТ 4543-71
Стали пружин. ГОСТ 14959-79
Стали жаропрочн. ГОСТ 5632-72
Стали инструмент. ГОСТ 1435-99
Стали инструмент.
легиров. ГОСТ
5950-200
Сталь арматурная ГОСТ 5781-82
Сплавы аллюмин. деформируемые
ГОСТ 4784-97
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
220
Наименование
Основные типоразме- Основные группы материалов
ры, мм
Меди ГОСТ 859-2001
Лист
тонкий 0.35,0.40,0.45,…,0.8,
Стали электротехн. ГОСТ 11036-75
х/катаный
ГОСТ 0.9,..,1.8,2.2,2.5,2.8,3,3.2, Стали качеств. ГОСТ 1050-88
19904-90
3.5,3.8,3.9,4,4.2,4.5,4.8,5 Стали жаропрочн. ГОСТ 5632-72
Стали общего назн. ГОСТ 380-94
Стали для свар. констр. ГОСТ 19282
Лист тонкий
0.2, 0.22, 0.25,0.28,0.32, Стали качеств. ГОСТ 1050-88
х/катаный оцинко0.36,0.4,0.45,0.5,0.55,0.6,
ванный
0.63,0.7,0.8.0.9,1,1.2,1.4,
ГОСТ 19904-90
1.6,1.8,2.2.5
Лист из алюминие0.3,0.4,0.5,0.6,0.7.0.8,0.9, Сплавы алюминиевые деформируемые
вых сплавов
1,1.1,1.2,1.5,1.8,2.2,2.5, ГОСТ 4784-97
ГОСТ 21631-76
3,3.5,4,5,6.7.8,9,10
Лист из титановых
0.2,0.25,0.3,035,0.4,0.45, Сплавы титановые ГОСТ 19807-91
сплавов
0.5,0.6,0.7,0.8,0.9.1,1.2,
1.5,1.8,2.2,2.5,3,3.5,4,5,6,
ГОСТ 22178-76
7,8.9.10
Полоса
10х4,10х5,10х6,10х7,
Стали общего назн. ГОСТ 380-94
ГОСТ103-76
10х8,10х9,10х10.10х11, Стали качеств. ГОСТ 1050-88
Стали легиров. ГОСТ 4543-71
10х12.10х14,10х16,
10х18,…10х45,…,10х50, Стали пружин. ГОСТ 14959-79
10х60
Стали для свар. констр. ГОСТ 19282
Проволока пружин- 0.14,0.15,0.16,…, 2,2.2, Стали пружинные ГОСТ 14959-79
2.5,2.8,3,3.2,3.6,4,4.5,
ная холоднотянутая
ГОСТ 9389-75
5,5.6,6,6.3,7,8
Проволока пружин- 0.5,0.8,1,1.2,….,2,5,
Стали пружинные ГОСТ 14959-79
ная легированная
2.8,3,3.2,…,5,5.5,6,6.5,7,
ГОСТ 14963-78
7.5,8,8.5,9,9.5.10,11,12,
13,14
Труба бесшовная
36х0.3,40х0.3,42х0.3,
Стали коррозионно-стойкие и жароособотонкостенная
48х0.3,60х0.3
прочные ГОСТ 5632-72
ГОСТ 10498-82
Труба бесшовная хо- 5х0.2,5х0.3,5х1,6х1,…. Стали коррозионно-стойкие и жаролоднодеформирован- 14х1,16х2,18х2, 20х2,
прочные ГОСТ 5632-72
ная ГОСТ 9941-81
20х2.5,…,160х11.219х10
Труба бесшовная
20х28х1,20х28х1.5,…. Стали качественные ГОСТ 1050-88
прямоугольная
40х20х2,40х25х2.5,….
ГОСТ 8645-68
60х40х2,80х40х2
Труба бесшовная
15х15х1.2,…,20х20х1, Стали качественные ГОСТ 1050-88
квадратная
25х25х2, …,120х120х10,
ГОСТ 8639-82
140х140х6
Труба круглая бес- 65х6.5,80х5,102х5
Сплавы титановые ГОСТ 19807-91
шовная из титановых
сплавов ГОСТ 2289786
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
221
Наименование
Швеллер х/гнутый
равнополочный
ГОСТ 8278-83
Швеллер из алюминиевых сплавов
ГОСТ 8617-81
Основные типоразмеры, мм
25х26х2,25х30х2,…,
28х27х2.5,30х25х3,…,
400х95х8,410х65х6
20х30х2,25х25х5,
30х50х4.40х80х4
Основные группы материалов
Стали общего назначения ГОСТ 380-94
Сплавы алюминиевые деформируемые
ГОСТ 4784-97
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
Характеристики распространенных сталей для сварных конструкций
ГОСТ 19282 (плотность 78500 кг/м3; модуль продольной
упругости 200000 МПа; модуль поперечной упругости 77000 МПа)
Марка
σв,
σт, ψ, δ,
МПа МПа % %
НВ
Применение
12
19
21
22
337
325
225
200
Стойки ферм, верхние обвязки
вагонов. хребтовые балки, двутавры, детали вагонов, экскаваторов,
металлоконструкции,
сваривается без ограничений
Сталь 09Г2
Отпуск 200 0С
Отпуск 400 0С
Отпуск 500 0С
Отпуск 600 0С
930
750
690
670
780
620
590
570
Сталь 10Г2С2
Листы прокатанные 20 0С
Листы прокатанные 400 0С
Нормализация 20 0С
Нормализация 300 0С
485
405
520
510
335 75 35
185 - 30
380 70 26
260 60 19
Фланцы, корпуса, детали, работающие при температурах 40…+475 0С под давлением,
сварные
металлоконструкции,
работающие при температуре до
–70 0С, сваривается без ограничений
Сварные конструкции, детали
ферм, другие детали с повышенными требованиями к прочности
и коррозионной стойкости с
ограничением массы, работающие при темп. от -70 до +450 0С
40
60
65
65
Сталь 10ХСНД
Листы в поставке
Нормализация, работа 200С
Нормализация, работа 3000С
Нормализация, работа 5000С
530
540
480
370
390 - 19
410 71 36
305 70 28
285 77 30
Сталь 14Г2
Закалка, отпуск 200 0С
Закалка, отпуск 500 0С
1240
880
1220 60 20
810 67 21
Сталь 15ХСНД
Листы в поставке
Нормализация, работа 20 0С
Закалка 900 0С, отпуск 200 0С
Закалка 900 0С, отпуск 600 0С
490
620
1450
740
345
370
1220
640
50
68
21
20
10
20
Крупные листовые конструкции,
работающие при температурах
до -70 0С, сварка под флюсом
Сварные конструкции, детали
ферм, другие детали с повышенными требованиями к прочности
425 и коррозионной стойкости с
220 ограничением массы, работающие при темп. от -70 до +450 0С
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
222
ПРИЛОЖЕНИЕ В
Характеристики титана и титановых сплавов
(ГОСТ 19807-91) (плотность 4500 кг/м3; модуль продольной
упругости 11,2⋅10-4 МПа; модуль поперечной упругости 3,9 ⋅10-4 МПа)
Марка
ВТ1-0
σв ,МПа
350
σт, МПа
270
ВТ14
(отжиг)
ВТ20
(отжиг)
ВТ22
(отжиг)
ВТ5
(отжиг)
ВТ6
(закалка)
ОТ4-1
(закалка,
старение)
ПТ7М
900
400
1000
840
1000
530
900
750
1200
-
850
650
600
500
ψ,%
δ,%
50
НВ
-
50
330
25
300
20
285
30
310
20
330
2
0
30
220
2
0
40
-
2
0
1
2
1
0
1
0
1
2
6
Применение
Слабонагруженные детали
Теплостойкие детали (до 400 гр.)
Детали жаростойкие
Детали высокопрочные
Детали сварные
жаростойкие
Детали штампосварные
Детали тонкостенные сложной формы
Трубы тонкостенные
ПРИЛОЖЕНИЕ Г
Основные характеристики пружинных сталей (ГОСТ 14959-79)
Марка
50ХГТА
(закалка)
50ХФА
(закалка 870 гр.)
55С2
(закалка 830 гр.)
55ХГР
(закалка 830 гр.)
60Г
(закалка 800 гр.)
63С2А
(закалка 860 гр.)
65Г
(закалка 830 гр.)
70
(закалка 830 гр.)
85
(закалка 920 гр.)
σв, МПа
1300
σт, МПа ψ,%
1200
35
δ,%
6
НВ
HRC
44-50
HRC
50
HRC
51
HRC
42-47
-
1570
1430
45
6
2030
1860
31
7
1910
1760
38
7
1370
1180
10
5
1560
1370
20
5
2200
1790
30
4
1240
-
47
7
HRC
61
315
1540
-
42
5
400
Применение
Тяжелонагруженные
пружины
Тяжелонагруженные
пружины
Рессоры
Рессоры полосовые
Рессоры, барабаны тормозные
Торсионы
Детали повышенной износостойкости
Детали повышенной износостойкости
Детали с высокими упругими и износостойкими свойствами
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
223
ПРИЛОЖЕНИЕ Д
Основные характеристики инструментальных и
легированных сталей (ГОСТ 5950-2000)
Марка
9Х1
(закалка 830 гр.)
9ХС
(отжиг)
ХВ4Ф
(закалка)
σв, МПа
2000
790
σт, МПа ψ,%
1700
7
445
54
δ,%
3
26
НВ
Применение
Валки рабочие
HRCэ
63
243 Фрезы, детали повышенной износостойкости
HRCэ Резцы с небольшой ско67
ростью резания
ПРИЛОЖЕНИЕ Е
Основные характеристики инструментальных
сталей (ГОСТ 1435-99)
Марка
У10
(отжиг)
У12
(отжиг)
У9А
(закалка 800 гр.)
σв, МПа
750
σт, МПа ψ,%
-
δ,%
10
НВ
207
Применение
Пилы, топоры
650
325
50
28
207
Скобы, пилы
1420
1230
37
10
HRCэ
63
Инструмент слесарный
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж
Основные характеристики магниевых деформируемых сплавов
(ГОСТ 14957-76) (плотность 1780 кг/м3; модуль продольной
упругости 45000 МПа)
Марка
σв, МПа
270
МА11
(закалка)
250
МА12
(отжиг)
МА14
330
(старение)
МА15
310
(отжиг)
МА18
185
(отжиг)
МА19
390
(отжиг)
МА5
315
(закалка, старение)
σт, МПа ψ,%
145
10
δ,%
-
НВ
Применение
Детали теплостойкие
Детали теплостойкие
150
Детали высоконагруженные
Сварные конструкции
255
10
60
255
9
60
150
30
345
7
80
Детали высокой жесткости
Сварные конструкции
230
12
55
Элементы силовые
60
60
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
224
ПРИЛОЖЕНИЕ З
Основные характеристики алюминиевых деформируемых сплавов
(ГОСТ 4784-97) (плотность 2710 кг/м3; модуль продольной
упругости 71000 МПа; модуль поперечной упругости 27000 МПа)
Марка
АД1
АК6
АМг2
σв, МПа
150
420
190
σт, МПа ψ,%
100
6
360
11
80
25
АМг3
АМг6
(полунагартованный)
АМц
(нагартованный)
В96Ц1
(закалка, старение)
Д1
(закалка)
Д16
(закалка, старение)
Д19
(закалка, старение)
230
400
120
320
25
10
220
180
5
600
530
8
360
220
12
460
350
15
480
350
10
δ,%
60
НВ
60
Применение
Алюминий технический
Штампованные изделия
Сварные рамы, каркасы,
кронштейны
Сварные рамы
Сварные рамы, каркасы,
кронштейны
Рамы
14
Высокопрочные детали
Корпуса, шасси, кронштейны
Корпуса, шасси, кронштейны
Корпуса, шасси, кронштейны
ПРИЛОЖЕНИЕ И
Характеристики некоторых лакокрасочных покрытий
Марка
Классы покрытий
ТемпераОписание
Группы
турный
покрыдиапазон
тий
Алкидные (ПФ,ГФ)
-60 +150
Глянцевое, механически Т2ХЛ,
устойчивое,
средней
У1,
твердости
ОМ1,
УХЛ1
Эмаль
ПФ-115
ГОСТ 646576
111, 1У. У,
У1, У11
Эмаль
ПФ 19М
ТУ 6-101294-78
111, 1У. У,
У1, У11
-60 + 70
Эмаль ПФ
218ТС
ГОСТ
21227-93
111, 1У. У,
У1, У11
-60 + 100
Матовое,
механически
прочное, средней твердости, устойчиво к периодическому воздействию
воды, масел, бензина
Полуглянцевое, негорючее, устойчиво к периодическому воздействию
воды, масел, бензина, 3
Т2, У1,
УТ2
ОМЗ,
У2, В3
Цвет
557. 556,
994, 588,
993, 990,
918, 584,
632, 65,
28, 312,
622
Светлосерый,
темносерый,
черный
Светлосерый,
слоновая
кость
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
225
Марка
Классы покрытий
Эмаль
ПФ 241М
ТУ 6-10676-78
Эмаль
ПФ-837
111, 1У. У,
У1, У11
Грунтовка
ФЛ-03Ж
ГОСТ 910981
Грунтовка
ФЛ-093
ОСТ 6-10427-79
111, 1У. У,
У1, У11
Грунтовка
МЧ-042
ГОСТ
109982-75
Краска
БТ-117
ГОСТ 563179
Краска масляная
МА-514
ТУ 6-101241-77
Эмаль
ХС-720
ТУ 6-10708-74
-
Эмаль
ВЛ-725
ТУ 6-10866-75
111, 1У. У,
У1, У11
1У. У, У1,
У11
Температурный
диапазон
Описание
Группы
покрытий
слоя по 15 – 25 мкм
Устойчиво к периодиче- Т3,У2,
-60 + 100
скому воздействию воды,
УТЗ
масел, 2 слоя по 15 – 25
мкм
-60 + 300 Глянцевое, механически Т2, У1,
устойчивое, устойчиво к
6/1,
периодическому воздей- 8/300 0С
ствию воды, масел, бензина, 2 слоя по 15 – 25
мкм
Формальдегидные (ФЛ, ФА)
-60 + 60
Полуглянцевое. Прочное У4ХЛ4,
УХЛ4
Полуглянцевое, механически устойчивое, устойчиво к периодическому
воздействию воды, масел, бензина, наносится
электросаждением
Покрытия на другой основе
-60 + 60
Глянцевое, механически
прочное, наносится также на пластмассы
-60 + 180
-60 + 250
111, 1У
-60 + 80
11, 111, 1У
-60 + 250
Устойчиво к длительному воздействию воздуха,
воды и атмосферных
осадков
Прочное, стойкое к воде,
маслам, грибостойкое
Механически
прочное,
устойчивое к длительному воздействию воды
пресной и морской, к
солнечным лучам, 3 слоя
по 10 – 20 мкм
Механически
прочное,
твердое, устойчивое к
постоянному воздействию масел, бензина и
Т2, У1,
УТ2, 02
Цвет
Черный,
матовый
Алюминиевый
Желтозеленый
Серый,
черный,
краснокоричневый
У1,
ХЛ2,
УХЛ
Белый
У1,
ХЛ1,
УХЛ1
Черный
ОМ1,
Т1, У2,
ХЛ2,
УХЛ2
Синий,
белый,
черный
4/1, 4/2
Краснокоричневый, для
кораблей
6/1, 6/2,
У1, Т2,
8/2500С
Серебристый
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
226
Марка
Классы покрытий
Грунтовка
ВЛ-08
ГОСТ
12707-77
Суспензия
Ф-2МСД
ТУ 6-05041-645-77
Температурный
диапазон
-60 + 180
У, У1, У11
-70 + 150
Описание
Группы
покрытий
нефти, 1 слой по 10 – 20
мкм
Прочное, твердое, для
временного транспортирования и хранения изделий, 2 слоя по 10 – 15
мкм
Полуглянцевое, механически прочное, радиационостойкое, устойчиво
к постоянному воздействию агрессивных жидкостей, 3 слоя по 20 – 25
мкм
Цвет
ХЛ;,
УХЛ4,
У4
Защитный
5, 7/1,
Т2, У1
Коричневый
ПРИЛОЖЕНИЕ К
Основные производители и поставщики металлов Сибирского региона
Наименование
Адрес
АБАКАНВАГОНМАШ 662600. Республика Хакасия, г.
Абакан, а/я 176
Абаканский сталели- 662600. Республитейный завод
ка Хакасия, г.
Абакан, промплощадка Абаканвагонмаша
Западно-Сибирский
654043. Кемеровметаллургический
ская область, г.
комбинат
Новокузнецк
Красноярский метал- 660050. г. Краснолургический завод
ярск, ул. Кутузова,
1
Новосибирский метал- 630032. г. Новосилургический завод
бирск, ул. Станционная, 28
Норильский
горно- 663300. Красноярметаллургический
ский край, г. Нокомбинат
рильск, пл. Завенягина,2
Вид основной продукции
Вагоны
магистральные, контейнеры, части к подвижному составу
Литейное
производство
Телефоны,
E-mail
66022
65286
66419
922026
Сталь, чугун, про- (3843) 597000
кат, проволока
Металлургическое
производство
288173
Трубы стальные и (3832) 413614
чугунные, прокат,
ленты
Металлургия
(3919) 662945
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
227
Наименование
Тальменский завод порошковой металлургии
Топкинский
завод
электросварных труб
Алзамайский ремонтно-механический завод
Барнаульский
завод
алюминиевого литья
Беловский
завод
цинковый
Енисейский ремонтномеханический завод
Красноярский алюминиевый завод
Красноярский химикометаллургический завод
Новосибирский
оловянный комбинат
Туимский завод по обработке цветных металлов
Черногорский ремонтно-механический завод
Норильский никель
Представительство
Красноярский
комбайнов
завод
Адрес
Вид основной проТелефоны,
E-mail
дукции
Алтай- Металлоизделия из 22532
658800.
ский край, Таль- порошков
22801
менский район, п.
Тальменка,
ул.
Мехзаводская, 231
(38454) 22926
652320. Кемеров- Трубы
ская область, г.
Топки, промплощадка
665080. Иркутская Продукция произ- 61407
область, г. Алза- водственно61303
май, ул. Перво- технического намайская, 1
значения
(3852) 776908
656023. г. Барнаул, ул. Космонавтов, 8
652600. Кемеров200065
21637
ская область, г.
Белово, ул. Кузбасская, 37
663130. Краснояр- Запчасти и обору- 22727
ский край, г. Ени- дование для авто- 22356
сейск, ул. Ленина, мобилей и тракто104
ров, лесная техника
660111. г. Красно- Производство
(3912) 563710
ярск
алюминия и сплавов
660079. г. Красно288149
ярск, ул. Матросова, 30
630033. г. Новоси- Сплавы олова
(3832) 474492
бирск, ул. Мира,
82
662425. Республи- Прокат латунный и (39178) 92857
ка Хакасия, п. Ту- медный, провод
им
662620. Республи- Литье чугунное и 221923
ка Хакасия, г. стальное
Черногорск,
ул.
Советская, 26
103030. г. Москва, Продажа цветных (095) 9213062
пер.
Институт- металлов
ский, 16
660049. г. Красно- Производство ком- (3912) 210501
ярск, ул. Проф- байнов и запчастей sale@kzk.krasnjyrsk.su
союзов,3
к ним
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
228
Виктор Николаевич Коршун
РОТОРНЫЕ РАБОЧИЕ ОРГАНЫ
ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН:
КОНЦЕПЦИЯ КОНСТРУИРОВАНИЯ
Монография
Науч. редактор
Редактор РИО
Техн. редактор
проф. В.Ф. Полетайкин
С.К. Патюкова
Т.П. Попова
Подписано в в печать
Сдано в производство
Формат 60х84 1/16
Бумага типографская
Печать офсетная
Усл. печ. л. 14,25
Тираж 125 экз.
Изд. № 203
Зак. №
Лицензия ИД. № 06543. 16.01.02 г.
Редакционно-издательский отдел, типография СибГТУ
660049, г. Красноярск, пр. Мира, 82
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа